JP2004138906A - Photo tweezer system - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の放射圧を利用して微少物質を捕捉ないし移動を行う光ピンセット装置に関し、特に空間光変調器を用いて集光面上の複数の位置に光を集光する光ピンセット装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光の放射圧を利用して細胞や染色体、ナノマシン等の微細な対象物を非接触で捕捉して移動等を行う光ピンセット装置が知られている。例えば、特許文献1には、ホログラムや回折格子などの光学回折素子を用いて複数の出力ビームを形成することで複数の光学トラップを形成するものである。
【0003】
【特許文献1】
特表2002−502043号公報(第10〜12頁、第3図)
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このように複数の光学トラップを予め設定された位置に形成する場合には、所定の回折格子を用いれば足りる。しかし、複数の対象物を独立に捕捉して移動させるような場合には、それぞれの光学トラップの位置をリアルタイムに変更する必要がある。それには、光学回折素子の回折特性をリアルタイムに変更しなければならない。
【0005】
回折特性を変更する方法としては、空間光変調器を用い、計算機ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram)を表示させる方法がある。しかし、リアルタイムでCGHの計算を行うことは、多大な計算機資源を必要とし、現実的ではない。そこで、所望の出力が得られるパターンを予め用意しておく手法が考えられるが、多点を制御しようとすると、用意すべきパターンの数が膨大になり、その取り扱いも煩雑なものとなる。
【0006】
そこで、本発明は複数の点を対象としてリアルタイム制御を可能とした光ピンセット装置を提供することを課題とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明に係る光ピンセット装置は、空間光変調器によって光源から出射された光を所定の面上の所望の位置に位置する複数の点に集光し、その光放射圧を利用して微少物質の捕捉・移動を行う光ピンセット装置において、この空間光変調器の変調面を集光する点のそれぞれに対応する複数の領域に空間分割して各領域にグレーティングパターンを形成することで集光点の位置を調整するものである。
【0008】
このように空間光変調器の変調面を複数の領域に分割し、それぞれにグレーティングパターンを形成して集光点の位置調整を行うことで、それぞれの点を独立して制御することができるとともに、パターンの組み合わせで多点制御を行うことができるため、計算によりパターンを作成する場合でも予め必要なパターンを格納しておく場合のいずれにおいても計算機資源やメモリ等が少なくて済み、その変更を高速で行うことができるのでリアルタイムでの制御が可能となる。
【0009】
空間光変調器の変調面の領域分割に際して領域の面積を調整して集光される光強度を調整することが好ましい。例えば、細かいグレーティングパターンでは、集光される光強度が弱くなることからこのようなパターンを形成すべき領域には広い面積を割り当て、比較的粗いグレーティングパターンが形成される領域には狭い面積を割り当てればそれぞれの集光点の光強度を同一にすることができる。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。図1は、本発明に係る光ピンセット装置1の概略構成図である。この装置1は入射光であるレーザ光等のコヒーレント光を用いて光学トラップ面14に集光する光学トラップを形成するものであって、トラップ形成手段として、光学回折手段である空間光変調器(SLM)11を含み、回折された光をリレーレンズ系12、対物レンズ13により光学トラップ面14に集光させる構成を採る。ここで、リレーレンズ系12のレンズは、SLM11位置と対物レンズ13位置が共役面となるようその構成が設計されている。SLM11は、位相変調形の例えば画素数が512×512の透過型SLMが用いられる。制御装置10は、SLM11を制御して表示されるグレーティングパターン(CGH)の切替を行う。
【0011】
図2は、本発明における分割位相グレーティングパターンを説明する図であり、図3は、対応する出力パターン、つまり光学トラップ面14における集光パターンを示す図である。ここで、グレーティングパターンは、各画素における0〜2πの位相変調量を0〜255の輝度値に換算して示している。図2(a)、図3(a)は4点出力の場合であり、図2(b)、図3(b)は16点出力の場合を示している。いずれの場合も、出力点に応じた数に位相パターン面を分割している。図4、図5は比較として従来の手法により8×8の集光点を等間隔で形成する場合のグレーティングパターンとその出力パターンを示している。
【0012】
本発明では分割された各領域のグレーティングパターンは、他の領域のグレーティングパターンから完全に独立しており、それらの影響を受けない。このため、例えば、光学トラップ面14における制御座標が100×100であるとすると、各出力点座標に対応した位相テーブル(100×100組)を用意しておき、これらを任意に組み合わせることで、全体の位相パターンを作成することができる。さらに、出力点が増えた場合でも出力点座標の範囲が同じであれば同じ位相テーブルを用いればよく、多点の制御が容易になる。また、各領域のグレーティングは図2に示されるように単純なものであるため、計算時間も短くてすむので、リアルタイム制御が可能となる。これに対して、従来の手法では、512×512すべての領域で計算を行うため、計算時間が非常に長くかかり、リアルタイム性がない。すべての出力パターンに対応する位相パターンを予め計算しておくテーブル方式を採用するとしても、出力面の各点を独立とみなすことができないため、膨大な数のテーブルを用意する必要がある。例えば、4点出力させる場合でも、用意しなければならないテーブルの数は100×100の4乗、すなわち、1016に達し、出力点が増えるとその数は膨大になって実用的とはいえない。
【0013】
次に、具体的な制御方法を説明する。ここでは、出力面座標100×100で4点を出力する場合を例に説明する。以下の制御は制御装置10によって行われる。
【0014】
まず、出力点数に応じて位相パターンエリアを分割する。ここでは、簡略化のため、等分割することとし、各エリアの画素数は256×256とする。
【0015】
次に、分割した画素数で出力面座標に対応する位相テーブルを作成する。位相テーブルの数は100×100個で、座標(0,0)から座標(99,99)の各座標に出力する場合の位相グレーティングを作成する。この計算に要する時間は数分以内である。
【0016】
続いて、実際に出力したい4点の座標に対応する先に作成した位相テーブル(256×256画素)をそれぞれ読み出し、これを貼り合わせて512×512画素の位相パターンを作成する。作成した位相パターンをSLM11にホログラム表示させることで、光学トラップ面14の所望の出力座標位置に4点を集光させて光学トラップを形成することができる。
【0017】
集光点を移動させるような場合には、予め位相テーブルを作成しておいて、これをメモリ等に格納しておき、移動位置に応じて位相テーブルを読み出し、これを貼り合わせて位相パターンを形成することで対応することができる。貼り合わせ自体の計算にはほとんど時間がかからないため、リアルタイムの処理が可能となる。
【0018】
ところで、通常レーザ光源は、中心が明るく、周辺にいくにつれて光量が弱くなるガウシアン分布の強度分布を有している。そのため、SLM11に形成される位相パターンのうち、中心部分の領域によって形成される集光点の光強度は強く、周辺部分の領域によって形成される集光点の光強度は弱くなる。通常、光ピンセット装置では、光学トラップ面14における光強度をなるべく一定にすることが望まれることから、図6に示されるように、SLM11の周辺部にいくにつれて、領域面積を広くとることで光学トラップ面14における各点の強度を補正することが好ましい。この図では、中央の3×3個の領域Aの各面積を1とした場合、それに隣接する4つの1×3個の領域Bの各面積は1.4に4隅の領域Cの各面積は2に設定されている。この面積比は、SLM11に入射される光量分布に合わせて決定することが好ましい。
【0019】
また、本発明においては、グレーティングによる回折現象を利用して集光点を形成している。ここで、グレーティングの粗い領域では回折効率が高いため、集光点の光強度は強くなるが、グレーティングの細かい領域では回折効率が低くなるため、集光点の光強度は低くなる。
【0020】
この要因による、トラップ面での点強度のばらつきを抑えるために、各領域の面積を予め異ならせておき、グレーティングの細かいパターンに広い領域を割り当てるようにしてもよい。図7はそうした領域分割の一例を示している。図の左側にある3×4の領域Dに対して、右側の1×4の領域Eはそれぞれ1.4倍の面積を有している。光学トラップ面14において、集光点が中心から遠ざかるにつれてこれを形成するのに必要なグレーティングは細かくなり、回折効率が低くなる。そこで、そのようなパターンに領域Eのような広い領域を割り当てることによって出力面での光強度を補正する。ここでは、予め領域ごとの面積を固定する例を説明したが、グレーティングの細かさに応じてその都度面積を変動させてもよい。
【0021】
さらに、前述した入射光の光強度分布に対する補正と組み合わせてもよい。この場合、グレーティングの細かなパターンを中央部分に配置し、グレーティングの粗いパターンを周辺に配置すれば、グレーティングの粗密による光強度の変動と入射功の強度分布による光強度の変動とを相殺させることができるので、面積の変動量を小さくすることができる。
【0022】
以上の場合は、集光点の光強度を一定に維持する制御を説明したが、逆に集光点の面積を積極的に変えることで集光点の光強度を制御することもまた可能である。光ピンセット装置においては、ターゲットを単に捕捉する場合のほか、ターゲットを保持したまま移動させる使用法があるが、後者のほうが、前者よりも強い光強度を必要とする。また、複数の種類の異なるターゲットが存在する場合、ターゲットごとに捕捉に必要な光強度は異なってくる。そこで、強い光強度を必要とするトラップを形成する位相パターンに広い面積を割り当て、弱い光強度で足りるトラップを形成する位相パターンには狭い面積を割り当てることで出力面における光強度を調整することができる。
【0023】
このように領域の面積変動を伴う場合には、1つあるいはいくつかの基本的な画素サイズにおける位相パターンの組み合わせを計算しておき、各分割領域をその画素サイズの相似形あるいは基本的な画素サイズを貼り合わせた形状とすれば、面積変更に応じた位相パターンの計算が簡単なもので済み、リアルタイム性を損なうことがない。
【0024】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、SLMの変調面を複数の領域に分割し、それぞれにグレーティングパターンを形成して集光点の位置調整を行うことで、それぞれの点を独立して制御することができる。また、パターンの組み合わせで多点制御を行うことができるため、計算によりパターンを作成する場合でも予め必要なパターンを格納しておく場合のいずれにおいても計算機資源やメモリ等が少なくて済み、その変更を高速で行うことができるのでリアルタイムでの制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る光ピンセット装置の好適な実施形態を示す概略構成図である。
【図2】図1の装置における分割位相グレーティングパターンの例示である。
【図3】図2のグレーティングパターンによる出力パターンを示す図である。
【図4】従来のグレーティングパターンの例示である。
【図5】図4のグレーティングパターンによる出力パターンを示す図である。
【図6】図1の装置における分割パターンの例示である。
【図7】図1の装置における分割パターンの別の例示である。
【符号の説明】
1…光ピンセット装置、10…制御装置、11…空間光変調器(SLM)、12…リレーレンズ系、13…対物レンズ、14…光学トラップ面。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical tweezer device that captures or moves a minute substance by using a radiation pressure of light, and more particularly to an optical tweezer device that collects light at a plurality of positions on a light collecting surface using a spatial light modulator. About.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art An optical tweezer device is known that uses a radiation pressure of light to capture and move a minute object such as a cell, a chromosome, or a nanomachine in a non-contact manner. For example, in Patent Document 1, a plurality of optical traps are formed by forming a plurality of output beams using an optical diffraction element such as a hologram or a diffraction grating.
[0003]
[Patent Document 1]
JP-T-2002-502043 (pages 10 to 12, FIG. 3)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
When a plurality of optical traps are formed at predetermined positions in this manner, it is sufficient to use a predetermined diffraction grating. However, when a plurality of objects are to be captured and moved independently, it is necessary to change the position of each optical trap in real time. To do so, the diffraction characteristics of the optical diffraction element must be changed in real time.
[0005]
As a method of changing the diffraction characteristics, there is a method of displaying a computer generated hologram (CGH: Computer Generated Hologram) using a spatial light modulator. However, performing CGH calculation in real time requires a great deal of computer resources and is not realistic. Thus, a method of preparing a pattern that can obtain a desired output in advance is conceivable. However, when trying to control multiple points, the number of patterns to be prepared becomes enormous, and the handling becomes complicated.
[0006]
Therefore, an object of the present invention is to provide an optical tweezer device capable of real-time control of a plurality of points.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an optical tweezer device according to the present invention condenses light emitted from a light source by a spatial light modulator to a plurality of points located at desired positions on a predetermined surface, and emits the light. In an optical tweezer device that captures and moves minute substances using pressure, the grating pattern is spatially divided into a plurality of regions corresponding to each of the points where the modulation surface of the spatial light modulator is focused, and a grating pattern is formed in each region. By forming, the position of the focal point is adjusted.
[0008]
In this way, by dividing the modulation surface of the spatial light modulator into a plurality of regions, forming a grating pattern on each of them, and adjusting the position of the focal point, each point can be controlled independently. Since multipoint control can be performed by a combination of patterns, even when a pattern is created by calculation, a computer resource or a memory is small in any case where a necessary pattern is stored in advance. Since it can be performed at a high speed, real-time control becomes possible.
[0009]
When dividing the modulation surface of the spatial light modulator, it is preferable to adjust the area of the region to adjust the intensity of the condensed light. For example, in the case of a fine grating pattern, the light intensity to be condensed becomes weak, so a large area is allocated to a region where such a pattern is to be formed, and a small area is allocated to a region where a relatively coarse grating pattern is formed. Then, the light intensity at each light condensing point can be made equal.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical tweezer device 1 according to the present invention. This device 1 forms an optical trap that condenses light on an optical trap surface 14 using coherent light such as laser light that is incident light. As a trap forming means, a spatial light modulator (optical diffractive means) is used. SLM) 11 and the diffracted light is condensed on an optical trapping surface 14 by a
[0011]
FIG. 2 is a diagram illustrating a divided phase grating pattern according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram illustrating a corresponding output pattern, that is, a condensing pattern on the optical trap surface 14. Here, the grating pattern is shown by converting the phase modulation amount of 0 to 2π in each pixel into a luminance value of 0 to 255. 2 (a) and 3 (a) show the case of four-point output, and FIGS. 2 (b) and 3 (b) show the case of 16-point output. In each case, the phase pattern surface is divided into a number corresponding to the output points. FIGS. 4 and 5 show a grating pattern and its output pattern when 8 × 8 condensing points are formed at regular intervals by a conventional method for comparison.
[0012]
In the present invention, the grating pattern of each divided region is completely independent of the grating patterns of other regions, and is not affected by them. Therefore, for example, if the control coordinates on the optical trapping surface 14 are 100 × 100, a phase table (100 × 100 sets) corresponding to each output point coordinate is prepared, and these are arbitrarily combined. An entire phase pattern can be created. Furthermore, even when the number of output points increases, the same phase table may be used as long as the range of output point coordinates is the same, and control of multiple points becomes easy. Further, since the grating in each area is simple as shown in FIG. 2, the calculation time is short, and real-time control is possible. On the other hand, in the conventional method, since calculation is performed in all 512 × 512 regions, the calculation time is extremely long and there is no real-time property. Even if a table method in which the phase patterns corresponding to all the output patterns are calculated in advance is employed, each point on the output surface cannot be regarded as independent, so that an enormous number of tables need to be prepared. For example, even when four points are output, the number of tables that must be prepared reaches 100 × 100 to the fourth power, that is, 10 16, and the number of tables increases when the number of output points increases, which is not practical. .
[0013]
Next, a specific control method will be described. Here, a case where four points are output at the output plane coordinates of 100 × 100 will be described as an example. The following control is performed by the control device 10.
[0014]
First, the phase pattern area is divided according to the number of output points. Here, for simplicity, equal division is performed, and the number of pixels in each area is 256 × 256.
[0015]
Next, a phase table corresponding to the output plane coordinates is created based on the number of divided pixels. The number of phase tables is 100 × 100, and a phase grating for outputting from (0,0) to coordinates (99,99) is created. The time required for this calculation is within a few minutes.
[0016]
Subsequently, the previously created phase tables (256 × 256 pixels) corresponding to the coordinates of the four points that are actually desired to be output are read out and pasted together to create a 512 × 512 pixel phase pattern. By displaying the created phase pattern on the SLM 11 as a hologram, four points can be condensed at desired output coordinate positions on the optical trap surface 14 to form an optical trap.
[0017]
In the case of moving the focal point, a phase table is created in advance, stored in a memory or the like, the phase table is read out according to the movement position, and the phase table is attached to form a phase pattern. It can respond by forming. Since the calculation of the bonding itself takes little time, real-time processing becomes possible.
[0018]
By the way, a laser light source usually has a Gaussian distribution intensity distribution in which the center is bright and the light amount becomes weaker toward the periphery. Therefore, in the phase pattern formed on the SLM 11, the light intensity of the light condensing point formed by the region of the central portion is strong, and the light intensity of the light condensing point formed by the region of the peripheral portion is weak. Normally, in an optical tweezer device, it is desired to make the light intensity on the optical trapping surface 14 as constant as possible. Therefore, as shown in FIG. It is preferable to correct the intensity of each point on the trap surface 14. In this figure, if the area of the central 3 × 3 area A is 1, the area of the four 1 × 3 areas B adjacent to it is 1.4, and the area of the four corner areas C is 1.4. Is set to 2. This area ratio is preferably determined in accordance with the distribution of the amount of light incident on the SLM 11.
[0019]
Further, in the present invention, the light-converging point is formed by utilizing the diffraction phenomenon caused by the grating. Here, the diffraction efficiency is high in the region where the grating is coarse, so that the light intensity at the converging point is high. However, the diffraction efficiency is low in the region where the grating is fine, so the light intensity at the converging point is low.
[0020]
In order to suppress the variation in point intensity on the trap surface due to this factor, the area of each area may be made different in advance, and a wide area may be allocated to a pattern with a fine grating. FIG. 7 shows an example of such area division. The 1 × 4 region E on the right side has 1.4 times the area of the 3 × 4 region D on the left side of the drawing. On the optical trapping surface 14, the grating required to form the focal point becomes finer and farther away from the center, resulting in lower diffraction efficiency. Therefore, the light intensity on the output surface is corrected by allocating a wide area such as the area E to such a pattern. Here, an example in which the area of each region is fixed in advance has been described, but the area may be changed each time according to the fineness of the grating.
[0021]
Further, it may be combined with the correction for the light intensity distribution of the incident light described above. In this case, if a fine pattern of the grating is arranged in the center part and a coarse pattern of the grating is arranged in the periphery, the fluctuation of the light intensity due to the density of the grating and the fluctuation of the light intensity due to the intensity distribution of the incident light can be offset. Therefore, the variation of the area can be reduced.
[0022]
In the above case, the control for maintaining the light intensity at the focal point constant has been described, but it is also possible to control the light intensity at the focal point by positively changing the area of the focal point. is there. In an optical tweezer device, there is a method of moving a target while holding it, other than simply capturing the target, but the latter requires a higher light intensity than the former. When a plurality of types of different targets are present, the light intensity required for capturing differs for each target. Therefore, it is possible to adjust the light intensity at the output surface by allocating a large area to a phase pattern forming a trap requiring a high light intensity and allocating a small area to a phase pattern forming a trap requiring a low light intensity. it can.
[0023]
In the case where the area of the area varies as described above, a combination of phase patterns in one or several basic pixel sizes is calculated, and each divided area has a similar shape or a basic pixel size. If the shape is formed by bonding the sizes, the calculation of the phase pattern according to the change in the area can be simplified, and the real-time property is not impaired.
[0024]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the modulation surface of the SLM is divided into a plurality of regions, and a grating pattern is formed on each of the regions to adjust the position of the focal point, thereby controlling each point independently. can do. In addition, since multipoint control can be performed by combining patterns, even when a pattern is created by calculation, necessary computer resources and memory etc. are reduced in any case where a necessary pattern is stored in advance, and the Can be performed at high speed, so that real-time control is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a preferred embodiment of an optical tweezer device according to the present invention.
FIG. 2 is an illustration of a divided phase grating pattern in the device of FIG.
FIG. 3 is a diagram showing an output pattern based on the grating pattern of FIG. 2;
FIG. 4 is an example of a conventional grating pattern.
FIG. 5 is a diagram showing an output pattern based on the grating pattern of FIG.
FIG. 6 is an illustration of a division pattern in the device of FIG. 1;
FIG. 7 is another example of a division pattern in the apparatus of FIG. 1;
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical tweezer device, 10 ... Control device, 11 ... Spatial light modulator (SLM), 12 ... Relay lens system, 13 ... Objective lens, 14 ... Optical trap surface.
Claims (2)
前記空間光変調器の変調面を集光する点のそれぞれに対応する複数の領域に空間分割して各領域にグレーティングパターンを形成することで集光点の位置を調整する光ピンセット装置。An optical tweezer device that condenses light emitted from a light source by a spatial light modulator to a plurality of points located at desired positions on a predetermined surface, and uses the light radiation pressure to capture and move minute substances. At
An optical tweezer device that adjusts the position of a light-converging point by spatially dividing the modulation surface of the spatial light modulator into a plurality of regions corresponding to light-condensing points and forming a grating pattern in each region.
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