JP2004534661A - Improved apparatus, system and method for applying a light gradient force - Google Patents

Improved apparatus, system and method for applying a light gradient force Download PDF

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Abstract

【課題】粒子を操作するための光トラップアレイを生成し、制御する。
【解決手段】本発明は、レーザ光をビームレットに回折することと、(レーザ光に関して仮想のレンズとして働いて)ビームレットを収束させることとの両方が可能であり、それによって回折されたレーザビームをフォーカスレンズに転送するための複数の物理的なレンズの必要をなくす二重の機能を有する光学素子に関連する。本発明はまた、回折されないレーザ光から生じる反射・散乱の雑音の量を制限することによって、光トラップのモニタリングをより向上させることにも関連する。
An optical trap array for manipulating particles is generated and controlled.
The present invention is capable of both diffracting a laser beam into a beamlet and converging the beamlet (acting as a virtual lens with respect to the laser beam), whereby the laser diffracted by the laser beam is diffracted. It relates to an optical element having a dual function which eliminates the need for multiple physical lenses to transfer the beam to a focus lens. The invention also relates to improving the monitoring of the optical trap by limiting the amount of reflection and scattering noise resulting from the undiffracted laser light.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は、光トラップに関する。特に本発明は、微小粒子を操作するための複数の光トラップを形成するように光勾配力を印加する装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【0002】
本出願を通じて、さまざまな出版物を参照している。本発明に関連する技術の状態をより十分に説明するために、ここで本出願においてこれらの出版物の開示を全体的に援用する。
【0003】
光ピンセットは、集光された光ビームの勾配力を用いて、周囲の媒体よりも高い誘電率をもつ粒子を操作する光学的なツールである。そのエネルギーを最小にするために、このような粒子を電界が最も高い領域に動かす。モーメントに関して述べると、集光された光ビームは放射圧を発生し、粒子による光の吸収、反射、回折あるいは屈折によって微小な力を生じる。放射圧によって生じる力はほとんど無視してよい・・・10mWで動作するダイオード励起Nd:YAGレーザのような光源は数ピコニュートンを生じさせるだけである。しかしながら、数ピコニュートンの力は微小粒子を操作するには十分である。
【0004】
微小粒子を操作するために用いることができる他の光学的なツールには、オプティカルボルテックス(vortex)、オプティカルボトル(optical bottle)、オプティカルローテータ(optical rotator)、光ケージ等があるが、これらには限られない。オプティカルボルテックスは光ピンセットと使用法は類似しているが、反対の原理で動作する。オプティカルボルテックスはゼロ電界の領域を取り巻いて勾配を生成し、これが周囲の媒体よりも低い誘電率の粒子、あるいは反射性の粒子または光ピンセットを撥ね付ける他のタイプの粒子を操作するのに役立つ。そのエネルギーを最小にするために、このような粒子を電界が最も低い領域、すなわち、ほぼ整形されたレーザビームの焦点におけるゼロ電界領域に動かす。オプティカルボルテックスは、ドーナツ(トロイド)の中の穴のようなゼロ電界の領域を提供する。光勾配は放射状であり、ドーナツの円周において最も高い電界をもつ。オプティカルボルテックスは微小粒子をドーナツの穴の内部に拘束する。この拘束は、ボルテックスをゼロ電界の線に沿って微小粒子の上を滑らせることによって実現される。
【0005】
オプティカルボトルは、焦点においてのみゼロ電界をもち、ボルテックスの端部ではゼロではない電界をもつという点でオプティカルボルテックスとは異なっている。オプティカルボトルは、オプティカルボルテックスまたは光ピンセットでトラップするには小さすぎる、あるいは吸収的すぎるような原子およびナノクラスタをトラップするのに有用である。ジェイ アールト 及びエム ジェイ パジェット「高輝度領域に囲われた暗焦点を伴うビームの発生・光学ボトルビーム」オプティカルレター 25、191−193ページ。2000年(非特許文献1)。
【0006】
オプティカルローテータは近年説明されている光学式のツールであり、物体をトラップするスパイラルアームのパターンを提供する。パターンを変えることによって、トラップされた物体を回転させる。エル パターソン、エムピー マクドナルド、ジェイ アールト、ダブリュ シベット、ピーイー ブライアンド、及びケイ ドラリア 「光学的にトラップされた微細粒子の制御された回転」サイエンス 292巻、912−914ペイジ。2001年(非特許文献2)。このクラスのツールは、非球体の粒子を操作し、MEMS装置あるいはナノマシンを駆動するのに有用である。
【0007】
光ケージは、ニールによって米国特許第5,939,716号(特許文献1)に記載されているが、大雑把には、オプティカルボルテックスの巨視的ないとこである。光ケージは、オプティカルボルテックスのリングを形成して、大きすぎる、あるいは反射性がありすぎる、あるいは周囲の媒体よりも低い誘電率をもつ粒子を取り囲む。オプティカルボルテックスがドーナツのようであるとしたら、光ケージはゼリー入りのドーナツのようである。(ボルテックスに関して)ドーナツの穴がゼロ電界の領域であるのに対して、ゼリーフィルは電界が低い領域である。一般的には、ドーナツを形成する複数の光ピンセットの勾配力が、周囲の媒体よりも低い誘電率の粒子を、複数の光ピンセットの間に位置するより明るくない領域とも考えられるゼリーに向けて「押す」。しかしながら、ボルテックスとは違って、ゼロでない電界の領域が生成される。
【0008】
集光されている複数の回折レーザビームを形成して光トラップのアレイを形成するのに回折光学素子とともにレーザ光の単一ビームを用いることが、この分野では知られている。グライアーおよびダフレスに付与された米国特許第6,055,106号(特許文献2)は光トラップのアレイを記載している。この特許は、回折されたレーザビームをフォーカスレンズの後ろの開口部へ導くために物理的なトランスファーレンズを用いることを教示している。複数の物理的なレンズが、レーザビームを導いて、少なくとも約0.8の実効開口数(NA)を得るような十分な重なりでフォーカスレンズの後ろの開口部に重ねるのに使用される。この実効開口数は、チュウおよびクロニスに付与された米国特許第5,079,169号(特許文献3)に教示されているように、三次元で粒子をトラップし、操作するのに必要である最小のNAであると考えられる。米国特許第6,055,106号(特許文献2)に記載されている装置の欠点は、各レンズはその内部で動作する物理的なスペースをかなり大きく必要とし、かつ各レンズは、整備され、清掃され、そして配列されていなければならないということである。トランスファーレンズ系に詳しい人は、システム内のレンズの数が増えると、配列のずれや他の整備の問題の機会も増えるということを理解するであろう。したがって、光トラップの配列を形成するのに用いられるトランスファーレンズ系におけるレンズの数を減らす必要がある。本発明はこの必要を満たす。
【0009】
米国特許第6,055,106号(特許文献2)に記載されている光トラップの活動を監視するための共通の手法は、ビームスプリッタをレーザビームの進路に置いて、それによって光学的なデータストリームを作り出すことである。この手法の一つの制限は、雑音が光学データストリームにもたらす悪影響である。光トラップに関して、雑音とは、システム内に光またはエネルギーの回折されていない集光されたビーム、光トラップから発する光、および物理的トランスファーレンズシステムにおけるレンズの欠陥、ほこり、塵かずれによってレンズから反射あるいは回折した光が存在することに起因する、光トラップ、それらの内容物あるいは周囲の領域の結像、測定および/あるいは観察との干渉を指している。米国特許第6,055,106号(特許文献2)に教示されているように、雑音を減らす一つの方法は、回折素子に対して斜めの角度でレーザビームを導き、それにより、回折されなかったビームを対物レンズから離すようにすることである。その意図された目的には有用であるが、他の雑音のもとが残っている。回折されていないレーザビームや光トラップのアレイを作り出すシステムの構成要素から散乱・反射されるレーザ光によって生じる雑音を減らす、あるいはなくす必要がある。本発明は、この必要および他の必要をも満足し、関連する利点を提供する。
【非特許文献1】
ジェイ アールト 及びエム ジェイ パジェット「高輝度領域に囲われた暗焦点を伴うビームの発生・光学ボトルビーム」オプティカルレター 25、191−193ページ。2000年。
【非特許文献2】
エル パターソン、エムピー マクドナルド、ジェイ アールト、ダブリュ シベット、ピーイー ブライアンド、及びケイ ドラリア 「光学的にトラップされた微細粒子の制御された回転」サイエンス 292巻、912−914ペイジ。2001年。
【特許文献1】
米国特許第5,939,716号
【特許文献2】
米国特許第6,055,106号
【特許文献3】
米国特許第5,079,169号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
そこで本発明は、上記の課題を解決することのできる「発明の主題」を提供することを目的とする。この目的は特許請求の範囲における独立項に記載の特徴の組み合わせにより達成される。また従属項は本発明の更なる有利な具体例を規定する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、単一の物理的トランスファーレンズを使用している光トラップアレイを生成し、モニタし、制御するための新規かつ改良された方法、システムおよび装置を提供する。発明はまた、システム内の散乱光、非回折光、反射光が引き起こす「雑音」を除去する、あるいはシャッターで除く光トラップのモニタリングおよび制御を改良する。
【0012】
複数のトランスファーレンズは、複数の光トラップを生成するシステムにおいては、レンズ機能を回折光学素子に変換することによってなくすか減らされる。回折光学素子はまた、ビームのいずれの位相をも変える。複数のビームを収束するように回折光学素子を変換することによって、発明は、対物レンズの後ろの開口部に複数のビームを移動して重ね、それを通して光トラップを形成するために単一の物理的トランスファーレンズを用いるのに有利な状況を作り出す。
【0013】
基本的な形態では、発明(図1A)は、変換されたレンズ機能を有する回折光学素子によって回折された単一のレーザビームのような集光された光またはエネルギーのビームである。このレーザビームは複数のビームに回折され、それぞれのビームはまた、回折素子によって収束されて、それから単一のトランスファーレンズに導かれる。単一のトランスファーレンズはこれらの複数のビームを(顕微鏡の対物レンズのような)フォーカスレンズの後ろの開口部に導いて重ね、それによって複数の光トラップを形成する。任意の光トラップの位置を変えるために、そのトラップを形成するビームは、回折光学素子を介して新しい位置に操縦されてもよく、それによって、それに起因する光トラップの位置を変える。全ての光トラップの位置を一体として同時に変えるために可動ミラーを付加してもよい(図1D、1E、2および4)。いくつかの場合には、任意の光トラップの位置を変えるために、単一のトランスファーレンズの動きも望ましいことがある。
【0014】
単一のレンズトランスファーシステムを有する光トラップのアレイの選択的な生成および制御は、例えば光学回路の設計および製造、ナノ複合材料の構築、電子部品の製造、オプトエレクトロニクス、化学的および生物学的なセンサアレイ、ホログラフィックデータストレージマトリクスの組み立て、MEMSを駆動するエネルギー源あるいは光学的モータ、コンビトナリアルケミストリーの促進、コロイドの自己組織化の促進、生物学的材料の問い合わせ、選択された生物学的材料の濃縮、生物学的材料の性質の調査および生物学的材料を調べることというような多岐にわたる商業的な応用において有用であり得る。
【0015】
発明のいくつかの実施形態(図2〜4)においては、フォーカスレンズの前のビームの進路にビームスプリッタを置き、そして回折されていない散乱または反射光の通過を制限するように光学データストリームに沿ってフィルタを導入してこのような雑音を減らすことによって、光トラップアレイの活動をリアルタイムで見ることが可能である。この雑音は、光学データストリームをビデオで、あるいは他の手法でモニタする妨げとなりうる。光トラップアレイ全体の位置を調節するのに有用である可動ミラーをビームスプリッタと組み合わせてもよいし(図2および3)、システムに付加してもよい(図4)。
【0016】
レーザ光を周期的にシャッタで遮って(図3)、光学データストリームをモニタすることによって、および/あるいはレーザがオンのときに光学データストリームをシャッタで遮ることによって、雑音の減少を実現してもよい。
【0017】
本発明の他の特徴および利点は、後に続く説明および付随する図面においてある程度は述べられるであろう。これらにおいては、本発明の好ましい実施形態が記載され、示されており、付随する図面と関連して続く詳細な説明を精査すれば当業者に明らかになるであろう。あるいは本発明の実施によって本発明の好ましい実施形態を学ぶかもしれない。本発明の利点は、付随するクレームにおいて具体的に指摘されている手段および組み合わせによって実現され、得られるであろう。
【0018】
即ち、本発明の第1の形態によると、複数の可動光トラップを形成する方法であって、集光された光ビームを発生し、前記集光された光ビームを、可変光学表面を有する位相パターニング光学素子に導いて、前記位相パターニング光学素子から発する複数のビームレットを形成し、各ビームレットは位相プロファイルを有しており、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させ、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを、前記単一のトランスファーレンズに通して、フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ね、前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを包含することを特徴とする。
【0019】
前記方法は、前記光学表面を変えることによって前記位相パターニング光学素子から発する少なくとも一つのビームレットの収束位置を変更して、少なくとも一つの光トラップの配置を変えることをさらに包含してもよい。
【0020】
前記光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、光ケージ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。
前記光学表面を変えることによって前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットのうちの少なくとも一つの前記位相プロファイルを変化させることをさらに包含してもよい。
前記光トラップで生物学的な材料を操作することをさらに包含してもよい。
【0021】
前記集光された光ビームはレーザビームであってもよい。前記レーザビームの波長は緑のスペクトルであってもよい。前記レーザビームの波長は約400nmから約1060nmの範囲から選択されてもよい。
前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして可動ミラーで操縦することをさらに包含してもよい。
【0022】
本発明の第2の形態によれば、複数の可動光トラップを形成する方法であって、集光されたエネルギービームを発生し、前記集光されたエネルギービームを、可変光学表面を有する位相パターニング光学素子に導いて複数のビームレットを形成し、前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で収束させ、前記ビームレットを単一のトランスファーレンズに通して、フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ね、前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを包含することを特徴とする。
【0023】
前記方法は、前記光学表面を変えることによって前記位相パターニング光学素子から発する少なくとも一つのビームレットの収束を変更して、少なくとも一つの光トラップの配置を変えることをさらに包含してもよい。
【0024】
前記方法は、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージから選択される光トラップの2つ以上の異なる種類を形成することをさらに包含してもよい。
【0025】
前記方法は、前記位相パターニング光学素子で、前記ビームレットのうちの少なくとも一つの前記位相プロファイルを変化させることをさらに包含してもよい。
前記集光されたエネルギービームは電磁波エネルギーであってもよい。
【0026】
本発明の第3の形態によれば、複数の可動光トラップを形成し、モニタする方法であって、集光された光ビームを発生し、前記集光された光ビームを位相パターニング光学素子に導いて、可変光学表面を有する前記位相パターニング光学素子から発する複数のビームレットを形成し、各ビームレットは位相プロファイルを有しており、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させ、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを単一のトランスファーレンズに通して、ビームスプリッタの表面で前記ビームレットを重ね、ビームレットの2つのストリームを生成し、前記ビームスプリッタはビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に反射し、ビームレットの第二のストリームを反射して光学データストリームを形成し、前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを包含することを特徴とする。
【0027】
前記方法は、前記位相パターニング光学素子から発する少なくとも一つのビームレットの収束を変更して、少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含してもよい。
【0028】
前記方法は、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージからなる群から選択される2つ以上の異なる種類の光トラップを形成することをさらに包含してもよい。
【0029】
前記方法は、前記ビームレットの少なくとも一つの前記位相プロファイルを前記位相パターニング光学素子で変化させることをさらに包含してもよい。
【0030】
前記方法は、前記光トラップで生物学的材料を操作することをさらに包含してもよい。前記集光された光ビームはレーザビームであってもよい。前記レーザビームの波長は緑のスペクトルであってもよい。前記単一のレーザビームの波長は約400nmから約1060nmの範囲から選択されてもよい。
【0031】
前記方法は、前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして可動ミラーで操縦することをさらに包含してもよい。
【0032】
前記方法は、前記光学データストリームをビデオ信号に変換することをさらに包含してもよい。前記方法は、前記光学データストリームのスペクトルを得て解析することをさらに包含してもよい
前記方法は、前記光学データストリームをコンピュータで受け取ることをさらに包含してもよい。前記光学表面を変えることは、コンピュータによって指示されてもよい。
前記方法は、前記光学データストリームの解析された前記スペクトルに応じて、前記光学表面を変えて少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含してもよい。
【0033】
前記方法は、前記ビデオ信号に応じて、前記光学表面を変えて少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含してもよい。
【0034】
前記方法は、前記光学データストリームから光の予め選択された波長以外の全てを除去することをさらに包含してもよい。
前記方法は、前記光学データストリームから、1つ以上の予め選択された光の波長を除去することをさらに包含してもよい。
【0035】
前記方法は、前記集光された光ビームが発生されていないときには前記光学データストリームがブロックされ、前記集光された光ビームが発生されているときには前記光学データストリームはブロックされないように、前記集光された光ビームを選択的に発生し、前記光学データストリームを選択的にブロックしたり、ブロックしなかったりすることをさらに包含してもよい。
【0036】
前記方法は、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットが前記ビームスプリッタに通ることを選択的にブロックしたり、ブロックしなかったりし、前記ビームレットをブロックするときに、前記光学データストリームを選択的にモニタすることをさらに包含してもよい。
【0037】
本発明の第4の形態によれば、少なくとも2つの光トラップを生成する装置であって、集光された光ビームを受け取り、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子内に変換された仮想レンズと、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを導いてフォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前記単一のトランスファーレンズと、前記トランスファーレンズから発する各ビームレットを収束させて前記光トラップを形成する前記フォーカスレンズと、前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる、前記位相パターニング光学素子と前記フォーカスレンズとの間の単一のトランスファーレンズとを備えていることを特徴とする。
【0038】
前記単一のトランスファーレンズは可動であってもよい。前記位相パターニング光学素子は静的な表面を有していてもよい。前記静的な表面は、前記静的な表面の異なる部分を前記光ビームを受けるように並べるために再配置可能であってもよい。前記静的な表面は2つ以上の不連続な、不均質の領域からなってもよい。前記静的な表面は実質的に連続的に変化してもよい。
【0039】
前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびホログラムからなる群の少なくとも一つから選択されていてもよい。
前記位相パターニング光学素子は動的であってもよい。前記変換された仮想レンズを選択的に変えることは、それから発するビームレットの数を変化させてもよい。
【0040】
前記変換された仮想レンズを選択的に変えることは、それから発する前記ビームレットのうちの少なくとも一つの収束位置を変化させてもよい。
前記位相パターニング光学素子を選択的に変えることは、それから発する前記ビームレットのうちの少なくとも一つの前記位相プロファイルを変化させてもよい。
【0041】
本発明の第5の形態によれば、少なくとも2つの光トラップを生成し、モニタする装置であって、集光された光ビームを受け、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子において変換された仮想レンズと、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを導いて、ビームスプリッタの表面で重ねる前記単一のトランスファーレンズと、前記単一のトランスファーレンズから発する前記ビームレットを受け取ってビームレットの2つのストリームを作り出し、その後ビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射する前記ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから発する各ビームレットを収束させて、少なくとも2つの光トラップを形成する前記フォーカスレンズとを備えていることを特徴とする。
【0042】
前記単一のトランスファーレンズは可動であってもよい。前記位相パターニング光学素子は静的な表面を有していてもよい。前記静的な表面は、前記光ビームを受けるように前記静的な表面の異なる部分を並べるために再配置可能であってもよい。前記静的な表面は、2つ以上の不連続な、不均質の領域からなってもよい。前記静的な表面は実質的に連続的に変化してもよい。
【0043】
前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびホログラムからなる群のうちの少なくとも一つから選択されてもよい。
【0044】
前記位相パターニング光学素子は動的であってもよい。前記動的な位相パターニング光学素子は選択的に可変であり、それによりそれから発するビームレットの数を変化させることが可能であってもよい。
前記動的な位相パターニング光学素子は選択的に可変であり、それによりそれから発する各別個のビームレットの収束位置を変化させることが可能であってもよい。
前記動的な位相パターニング光学素子は選択的に変えることが可能であり、それによりそれから発する各別個のビームレットの前記位相プロファイルを変化させることが可能であってもよい。
【0045】
前記位相パターニング光学素子は、コンピュータにより生成された可変回折パターン、可変位相シフト材料、可変液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電子光学偏向器、音響光学変調器、変形可能ミラーおよび反射MEMSアレイからなる群のうちの少なくとも一つから選択されていてもよい。
【0046】
前記ビームスプリッタは、静止している全方向ミラー、静止している光バンドギャップミラー、静止しているダイクロイックミラー、可動全方向ミラー、可動光バンドギャップミラー、および可動ダイクロイックミラーからなる群のうちの少なくとも一つから選択されていてもよい。
【0047】
前記トランスファーレンズの上流に配置されており、前記ビームレットを前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦する可動ミラーをさらに備えていてもよい。
前記可動ミラーと前記フォーカスレンズとの間に望遠鏡レンズシステムをさらに備えていてもよい。
【0048】
本発明の第6の形態によれば、複数の光トラップを生成し、モニタする装置であって、単一のレーザビームを受け取って、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する動的な回折光学素子と、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記回折光学素子において変換された仮想レンズと、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを導いて、ビームスプリッタの表面で重ねる前記単一のトランスファーレンズと、前記単一のトランスファーレンズから発する前記ビームレットを受け取ってビームレットの2つのストリームを作り出し、そしてビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射する前記ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタから発する各ビームレットを収束させて少なくとも2つの光トラップを形成する前記フォーカスレンズとを備えていることを特徴とする。
【0049】
本発明の第7の形態によれば、微小粒子を操作するための複数の光トラップを生成するシステムであって、複数の微小粒子と、集光された光ビームを生成する光源と、集光された光ビームと、前記集光された光ビームを受け取って、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子内に変換された仮想レンズと、前記位相パターニング光学素子と、各ビームレットが通過するフォーカスレンズとの間に配置された前記単一のトランスファーレンズであって、各ビームレットは前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねられるような単一のトランスファーレンズと、それぞれが複数の微小粒子のうちの一つを操作することが可能である少なくとも2つの光トラップを形成するように、前記トランスファーレンズから発する各ビームレットを収束させる前記フォーカスレンズとを備えていることを特徴とする。
【0050】
前記単一のトランスファーレンズは可動であってもよい。前記光トラップは、前記単一のトランスファーレンズの動きに対応して動いてもよい。前記位相パターニング光学素子は可変光学表面を有していてもよい。前記位相パターニング光学素子は、静的な表面を有していてもよい。前記静的な表面は、前記集光された光ビームを前記静的な表面の選択された領域に合わせるように移動可能であってもよい。前記静的な表面は2つ以上の不連続な、不均質の領域からなってもよい。前記静的な表面は、実質的に連続的に変化していてもよい。
【0051】
前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびホログラムからなる群のうちの少なくとも一つから選択されていてもよい。
【0052】
前記位相パターニング光学素子は動的であってもよい。前記位相パターニング光学素子は、コンピュータで生成された可変回折パターン、可変位相シフト材料、可変液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電子光学偏向器、音響光学変調器、変形可能ミラーおよび反射MEMSアレイからなる群のうちの少なくとも一つから選択されていてもよい。
【0053】
前記位相パターニング光学素子を選択的に変えるためのコンピュータをさらに備えていてもよい。前記複数の微小粒子の少なくともいくつかは、生物学的な材料であってもよい。
【0054】
前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは、緑のスペクトルの波長を有するレーザビームであってもよい。
前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは、約400nmから約1060nmの範囲から選択される波長を有するレーザビームであってもよい。
【0055】
前記ビームレットを前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦するための可動ミラーをさらに備えていてもよい。
【0056】
前記単一のレンズから下流で前記フォーカスレンズより前に望遠鏡レンズ系をさらに備えていてもよい。
【0057】
本発明の第8の形態によれば、光トラップを用いて微小粒子を操作するシステムであって、複数の微小粒子と、集光された光ビームを生成する光源と、集光された光ビームと、前記集光された光ビームを受け取り、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子内に変換された仮想レンズと、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを受け取ってビームレットの2つのストリームを作り出し、ビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に重ねるように反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射するビームスプリッタと、前記位相パターニング光学素子と、各ビームレットが通過する前記フォーカスレンズとの間に配置された単一のトランスファーレンズであって、各ビームレットは前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねられるようなトランスファーレンズと、それぞれが、前記複数の微小粒子のうちの一つを操作することができる少なくとも2つの光トラップと、前記光学データストリームのモニタとを備えていることを特徴とする。
【0058】
前記単一のトランスファーレンズは可動であってもよい。前記光トラップは、前記単一のトランスファーレンズの動きに対応して動いてもよい。前記位相パターニング光学素子は可変光学表面を有していてもよい。前記位相パターニング光学素子は静的な表面を有していてもよい。前記静的な表面は、前記静的な表面の選択された領域に前記集光された光ビームを選択的に合わせるように動かすことができてもよい。
【0059】
前記静的な表面は不連続な、不均質の領域からなってもよい。前記静的な表面は実質的に連続的に変化していてもよい。
【0060】
前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板、およびホログラムからなる群のうちの少なくとも一つから選択されてもよい。
前記位相パターニング光学素子は動的であってもよい。
前記位相パターニング光学素子は、コンピュータで生成された可変回折パターン、可変位相シフト材料、可変液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電子光学偏向器、音響光学変調器、変形可能ミラーおよび反射MEMSアレイからなる群のうちの少なくとも一つから選択されていてもよい。
前記動的な位相パターニング光学素子を選択的に制御するためのコンピュータをさらに備えていてもよい。
【0061】
前記複数の微小粒子の少なくともいくつかは、生物学的な材料であってもよい。
前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは緑のスペクトルの波長を有するレーザビームであってもよい。
前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは、約400nmから約1060nmの範囲から選択された波長を有するレーザビームであってもよい。
前記フォーカスレンズの後ろの開口部に前記ビームレットを重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦するための可動ミラーをさらに備えていてもよい。
【0062】
前記単一のレンズから下流に、かつ前記フォーカスレンズより前に望遠鏡レンズ系をさらに備えていてもよい。
前記モニタは人間のモニタであってもよい。前記モニタはビデオモニタであってもよい。
前記光学データストリームをデジタルデータストリームに変換する手段をさらに備えていてもよい。前記光学データストリームのスペクトルを生成する分光計をさらに備えていてもよい。
前記光学データストリームをデジタルデータストリームに変換することによってデジタルデータストリームを受け取るコンピュータをさらに備えていてもよい。
前記光学データストリームを受け取ってデジタルデータストリームに処理し、前記光学データストリームにおける情報に基づいて前記光トラップの少なくとも一つの配置を変化させるコンピュータをさらに備えていてもよい。
【0063】
前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、可動ミラーに、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦させるためのコンピュータをさらに備えていてもよい。
前記スペクトルを解析するコンピュータと、前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、前記可動ミラーに、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを操縦させるためのコンピュータとをさら備えていてもよい。
【0064】
前記光学データストリームの通路内に配置された偏光フィルタあるいはバンドパスフィルタをさらに備えていてもよい。
前記集光された光ビームがオンであるときには前記光学データストリームを選択的にブロックし、前記集光された光ビームがオフであるときには前記光学データストリームをブロックしないシャッタをさらに備えていてもよい。
前記光学データストリームがモニタされているときには前記集光された光ビームを選択的にブロックするシャッタをさらに備えていてもよい。
【0065】
集光された光ビームを生成する前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームはレーザビームであってもよい。
前記光学データストリームがモニタされているときには前記レーザビームを選択的にブロックする第一のシャッタと、前記レーザビームがオンであるときに前記光学データストリームを選択的にブロックし、前記レーザビームがオフである時に前記光学データストリームをブロックしない第二のシャッタとをさらに備えていてもよい。
【0066】
本発明の第9の形態によれば、微小粒子をモニタし、操作する光学システムであって、集光されたエネルギーの単一のビームの源と、集光されたエネルギーの単一のビームと、動的な回折光学素子と、前記光学素子に前記単一のビームを導くことによって生成される複数の収束されたビームレットと、フォーカスレンズと、前記収束されたビームレットの光路に配置されており、ビームレットの2つのストリームを作り出して、ビームレットの第一のストリームを前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねるように反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射するビームスプリッタと、前記光学素子と前記ビームスプリッタとの間に配置された、それらのビームレットを前記ビームスプリッタに導く可動単一レンズと、前記フォーカスレンズを通る前記ビームレットの収束によって形成される少なくとも2つの光トラップと、前記光学データストリームのためのモニタとを備えていることを特徴とする。
【0067】
前記集光されたエネルギーの単一のビームの源は、固体レーザ、ダイオード励起レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、アレキサンドライトレーザ、自由電子レーザ、VCSELレーザ、ダイオードレーザ、Ti−サファイアレーザ、ドープYAGレーザ、ドープYLFレーザ、ダイオード励起YAGレーザ、フラッシュランプ励起YAGレーザ、発光ダイオードおよび一体化された平行化素子を有する発光ダイオードからなる群から選択されていてもよい。
前記集光された光ビームは電磁波エネルギーであってもよい。前記光トラップは、前記単一レンズの動きに対応して動いてもよい。前記光トラップの配置の変化は、前記光学素子における少なくとも一つの変化によってもたらされてもよい。
【0068】
各光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージからなる群から選択されてもよい。
【0069】
本発明の第10の形態によれば、複数の可動光トラップを形成する方法であって、集光された光ビームを発生し、前記集光された光ビームを位相パターニング光学素子に導いて、前記位相パターニング光学素子から発する複数のビームレットを形成し、各ビームレットは位相プロファイルを有しており、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で前記位相パターニング光学素子と前記単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させ、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを、可動ミラーによって前記単一のトランスファーレンズを通過させて、フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ね、前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを特徴とする。
【0070】
前記方法は、前記ミラーを動かして少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含してもよい。
【0071】
前記光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、光ケージおよびこれらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。前記方法は、前記光トラップで生物学的な材料を操作することをさらに包含してもよい。
【0072】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0073】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【0074】
以下の明細書では、便宜と言及のためであって、限定のためにではなく、ある用語を用いる。簡単な定義を以下に示す。
【0075】
A.「ビームレット」とは、レーザから生成される光あるいは発光ダイオードからの平行にされた出力のような光あるいは他のエネルギー源の集光されたビームを、ビームを2つ以上のサブビームに回折する媒体に通すことによって生成される集光された光あるいは他のエネルギー源のサブビームを指す。ビームレットの一例は、格子から回折された高次のレーザビームである。
【0076】
B.「位相プロファイル」とは、ビームの断面における光または他のエネルギー源の位相を指す。
【0077】
C.「位相パターニング」とは、光、他のエネルギー源あるいはビームレットの集光されたビームに、その位相プロファイルを変えるパターン化された位相シフトを与えることを指し、光、他のエネルギー源あるいはビームレットの集光されたビームの位相変調、モード形成、分割、収束、発散、整形およびそれ以外の操縦(steering)を含むが、これらには限られない。
【0078】
複数の可動光トラップを形成する発明の装置のさまざまな実施形態を概して8で表し、図1A、1Bおよび1Cに示す。図1Aに示す実施形態では、電磁波エネルギーのようなエネルギーの集光されたビームを生成することによって、光トラップの可動アレイが形成される。好ましい実施形態において、電磁波は光波であり、好ましくは約400nmから約1060nmの波長を有しており、より好ましくは緑のスペクトルの波長を有している。このビームは、例えば発光ダイオードからの平行化された出力、あるいは好ましくは図1A〜1Eに示されているレーザビーム10のような平行光から形成されている。
【0079】
集光された光ビームは、可変光学表面を有する回折光学素子12のような可変光学表面を有する位相パターニング光学素子を通して光軸500に沿って導かれて、選択された位相プロファイルを有する複数のビームレット32および33(2つを図示している)を生成する。光学素子は、対物レンズ18のようなフォーカスレンズの後ろの開口部16の平面15に共役な平面に実質的に配置されている。回折光学素子の光学表面を変えることで、ビームレットを変える。
【0080】
回折光学素子12内には仮想レンズが変換されており、この仮想レンズは複数のビームレットを変換された回折光学レンズと単一のトランスファーレンズとの間の位置に収束する。変換された回折光学素子から発したビームレットは収束後、対物レンズ18のようなフォーカスレンズの後ろの開口部でビームレットを重ねるように、トランスファーレンズを通して導かれる。そしてビームレットはフォーカスレンズによって収束されて、動作焦点領域2000内に複数の光トラップ1002および1004を形成する。動作焦点領域2000は、光トラップ1002および1004によって調査、測定あるいは操作されるべき粒子3000あるいは他の材料3002を含む媒体が置かれている領域である。
【0081】
レーザビーム10の発生源として、どのような適切なレーザをも用いることができる。有用なレーザには、固体レーザ、ダイオード励起レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、アレキサンドライトレーザ、自由電子レーザ、VCSELレーザ、ダイオードレーザ、Ti−サファイアレーザ、ドープYAGレーザ、ドープYLFレーザ、ダイオード励起YAGレーザ、およびフラッシュランプ励起YAGレーザがある。10mWと5mWとの間で動作するダイオード励起Nd:YAGレーザが好ましい。
【0082】
集光された光ビーム10が変換された回折光学素子12を通して導かれるとき、変換された回折光学素子は、位相プロフェイルが変えられた複数の回折ビームレット32および33を生成する。この位相プロファイルの変更は、望まれる光トラップのタイプに応じて、波面整形、位相シフト、操縦(steering)、発散および収束を含み得、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、光ケージおよび異なる種類の組み合わせを含む光トラップの異なる種類を形成する。明確にするために、2つの回折されたビームレットと2つの対応する光ピンセット1002および1004のみが示されているが、このようなビームレットのアレイが変換された回折光学素子によって作り出されることは理解できるであろう。
各トラップの配置は、変換された回折光学素子によって選択的に制御される。各トラップの動きが、固定された位置における回転、固定されていない位置における回転、二次元と三次元、ならびに連続的と段階的は選択的に制御可能であるということが本発明の重要な特徴である。制御は、ビームが通過する回折光学素子の表面を変えることによって実現され、それにより、変換された回折光学素子から発するビームレットの収束位置を変更する。
【0083】
適した回折光学素子は、どのように集光された光ビームを導くかに応じて、透過性または反射性に特徴付けられる。透過性回折光学素子は、図1Aおよび1Bに示すように、光ビームを集光するのに対して、反射性回折光学素子は、図1Cに示すように、ビームを反射する。
【0084】
2つの大まかなグループ内で、回折光学素子は、静的な媒体から形成されているか、動的な媒体から形成されているかに区別される。適した静的な回折光学素子の例は、格子のような固定表面を有する回折光学素子を含む。この格子には、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板等が含まれる。
【0085】
静的な回折光学素子は、それぞれの領域がビームレットに対して異なる位相プロファイルを与えるように構成された異なる領域を有していてもよい。このような実施形態においては、静的な回折光学素子の表面は、その表面をレーザビーム10に対して動かして、ビームレットに与えられる所望の特性を変えるように、すなわち得られるビームレットのうちの少なくとも一つの所望の位相プロファイルを変えるように適切な領域を選択することによって変えられ得る。いくつかの実施形態においては、静的な表面は2つ以上の不連続な、不均質の領域を含んでいる。他の実施形態においては、静的な表面は実質的に連続的に変化している。
【0086】
機能に対して時間依存性の側面を有している適した動的な回折光学素子の例は、コンピュータによって生成される可変の回折パターン、可変の位相シフト材料、可変の液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電気光学偏向器、音響光学変調器、変形可能なミラー、反射MEMSアレイ等を含む。動的な回折光学素子があれば、変換された表面の特徴は、例えばコンピュータによって、ビームレットの数、ビームレットの少なくとも一つの位相プロファイル、およびビームレットの少なくとも一つの配置を変えるように変更可能である。
【0087】
回折光学素子上で変換された仮想レンズは、光学素子に入射する光の位相を変更する。代表的な仮想レンズは、例えば、反射性格子あるいはネマティック液晶の配向において変換されたフレネルレンズに類似したパターンである。仮想レンズは、物理的なレンズと区別可能であり、これは各ビームレット32、33の相対位置を独立して変更することができる仮想の素子として、ビームレット32および33の全てに全体として影響を及ぼす。
【0088】
また回折光学素子は、レーザ光に特定の位相モード(トポロジカルモード)を与えるのにも役立つ。したがって、一つのビームレット32はガウス・ラゲールのモードで形成され、他のビームレット33はガウスのモードで形成されるということがあり得る。
【0089】
好ましい仮想レンズに変換された回折光学素子は、日本のハママツによって製造された「PAL-SLMシリーズX7665」あるいはコロラド州ラファイエットのボルダ−ノンリニアシステムズによって製造された「SLM 512SA7」のような位相だけの空間光変調器を含む。これらの変換された回折光学素子はコンピュータで制御可能であり、多機能である。したがって、これらの回折光学素子は、レーザビーム10を回折して、得られたビームレットに所望の特性を選択的に与えることによって、ビームレット32および33を生成することができる。
【0090】
回折されたビームレットのそれぞれは、変換された回折光学素子の前面13上の領域Aから発している。またそれぞれは後ろの開口部16上の領域Bも通らなければならない。それによってビームレットは対物レンズ18の後ろの開口部16で重なっている。図1に示す実施形態においては、仮想レンズに変換された回折光学素子と単一の可動の下流にある光学レンズL1とを組み合わせることによって、ほぼ正確な重なりが効率的に達成される。
【0091】
レーザビーム10は、好ましくは、後ろの開口部16の直径に一致するビーム径wを有しており、対物レンズ18の後ろの開口部16はいっぱいになることがほとんど、あるいは全くなく、これがレーザビーム10の強度を節約するだけではなく、動作焦点領域2000内で所望のパターンの実効的な光トラップ1002および1004を作り出す電界勾配の強度を維持するということが発明のシステムの利点である。
【0092】
数学的な観点から述べる。光トラップを形成するのに十分な勾配力を確立するための実効NAが0.8であり、かつ実効NAが式NA=n*sinφ/2であるとする。ここでnは対物レンズの外側の媒体の屈折率を表し、φは回折されたビームの収束角度である。屈折率が1.5の油浸対物レンズを用いたとすれば、0.8の実効NAを維持するためには、φは、三次元で粒子を操作するのに効果的な光トラップを形成し維持するために光トラップの動きの間少なくとも66度に維持されなければならない。
【0093】
あるいは、レーザビーム10に対して大きすぎる後ろの開口部を有する大きすぎるフォーカスレンズを使用すれば、後ろの開口部16を満たすことなく効果的な光トラップを形成することができる。しかしながら、このようなレンズはより大きな物理的なスペースを必要とするであろうし、コストが高くなるかもしれない。
【0094】
図1Bに示されている代わりの実施形態に目を向けると、光トラップの制御可能なアレイが、レーザビーム10を、光軸500に対して鋭角βをなす面14’に実質的に配置されている仮想レンズを有して変換された回折光学素子12を通過させることによって形成されている。この実施形態では、変換された回折光学素子の前面上の領域Aから発したビームレット32および33は、回折光学素子によって導かれて、対物レンズ18の後ろの開口部16を通過し、動作焦点領域2000内に光トラップ1002および1004を形成する。光軸500に対するレーザビーム10の位置を変更することによって、非回折光34の一部が除かれて、これが非回折光34によって生じる雑音を減少させ、それにより光トラップ1002および1004を形成する効率および実効性を高める。さらに、図1Aおよび1Cに示すように光軸に沿ってレーザビームが導かれるときにレーザビームの非回折部分を形成する可能性がある非可動の光トラップ(図示せず)は、なくされる。
【0095】
図1Cは、変換された仮想レンズを有する回折光学素子12”からレーザビーム10を反射することによって光トラップの制御可能なアレイが形成されている代わりの実施形態を示している。
【0096】
図1Dおよび1Eは、位相パターニング光学素子から発したビームレットを、フォーカスレンズの後ろの開口部でビームレットを重ねる前に一つのグループとして操縦する可動ミラー41を有する代わりの実施形態を示している。可動ミラー41は、その回転の中心が領域CにあるようにトランスファーレンズL1の上流に配置されている。代表的なビームレット32は、変換された回折光学素子12の前面13上の領域AからトランスファーレンズL1を通り抜けて領域Cに達し、領域Cはビームレットを後ろの開口部16の領域Bに反射する。可動ミラー41を傾けることは、ミラー41に対するビームレット32の入射角を変化させる効果があり、光トラップ1002および1004のアレイを平行移動させるのに用いられ得る。
【0097】
この可動ミラーは、小さい振幅の速く振動する変位の間中、光トラップを動的に強化するように静止した基板内で光トラップアレイを正確に並べることと、光トラップにパルスを与えて同じ数のビームレットから光トラップの2つ以上の交互のセットを形成しつつ、光トラップのアレイの位置を正確に変更することによってトラップ活動を効果的に増やすこととの両方に有用である。
【0098】
図1Dに示す実施形態は、従来の望遠鏡システム42を可動ミラー41と対物レンズ18との間に含むことによってビームレットのずれを最小にする。望遠鏡システムは、共役面43および45の間に置かれた2つのレンズL2およびL3から構成されている、ビームレットは変換された回折光学素子12の前面13の領域Aから面43内の領域Cのビームスプリッタ51の回転中心へ達し、そして面44内の対物レンズ18の後ろの開口部16上の領域Bを通る。図1Eに示す実施形態では、可動ミラー41は、ビームレットのずれを最小にするために、後ろの開口部16の非常に近接して置かれている。
【0099】
図2および3に示す発明の実施形態を用いると、動作焦点領域200内の微小粒子3000と相互に作用している光トラップ1002および1004の光学データストリームをリアルタイムで観察することが可能である。光トラップ1002および1004の可動アレイは、単一のレンズトランスファー光学素子L1を用いて形成される。明瞭にするために一つのビームレット32だけが図示されているが、光学素子12によってこのようなビームレットが複数作り出されることを理解されたい。
光トラップのアレイを生成するために、レーザビーム10は回折光学素子12を通過して、変換された回折光学素子12の前面13上の領域Aから発し、その後領域Cへと達するビームレット32を生成する。領域Cは対物レンズ18の前にあるビームスプリッタ51の表面上の中心の領域である。ビームスプリッタ51は、静的あるいは可動のダイクロイックミラー、静的あるいは可動の光バンドギャップミラー、静的あるいは可動の全方向性ミラー、または他の同様な装置から構成される。図2に示されているビームスプリッタは可動であり、それゆえに、可動ミラーとビームスプリッタとの二つの機能を果たす。図3に示す代わりの実施形態においては、ビームスプリッタ51は固定されている。
【0100】
ビームスプリッタ51は、光トラップを形成するのに用いられる光の波長を選択的に反射し、他の波長を透過させてビームレットの2つのストリームを形成する。したがって、図2および3に示されるように、ビームレットの第一のストリームは領域Cから対物レンズ18の後ろの開口部16の領域Bを通って進み、それにより全てのビームレットを後ろの開口部で効果的に重ねて光トラップ1002および1004を形成する。ビームレットの第二のストリームはビームスプリッタ51によってモニタの方に反射されて、結像照明源(図示せず)の助けを借りて、リアルタイムで光学データストリームを提供するのに用いられる。ビームレットの第二のストリームは装置8を通過し、人間のモニタ65によって目視64aされる。モニタ65はコンピュータ66とのインタフェースであってもよく、ビームレット32の一つあるいはすべての位置を変更するようにシステムのパラメータをコンピュータに変更させる。
【0101】
あるいは、光学データストリームのスペクトル64bを得て、解析することができ、かつ/または光学データストリームをビデオ信号に変換してビデオモニタ64cでモニタすることができる。いくつかの実施形態においては、光学データストリームは分光計を通され、そして少なくとも一つのビームレットの収束位置がスペクトルの解析あるいはビデオによるモニタリングに応じて、対応する光トラップの配置を変化させるように変更され得る。
【0102】
生物学的な材料の試料の分光法64bは、非弾性分光法あるいは偏光の後方散乱に適した結像証明とともに実現される。前者は化学的な構造を調べるのに有用であり、後者は核のサイズを測定するのに適している。コンピュータ66はデータを解析して疑わしいガン性、前ガン性、および/あるいは非ガン性の細胞を同定し、光学アレイに選択された細胞タイプの試料を分離して濃縮させる。当業者は、ガン性の細胞に特有のパラメータに基づいて細胞を濃縮するために用いられる手順は、他のパラメータに基づいて他のタイプの細胞を同定および/あるいは濃縮するように発明の範囲から逸脱することなく変更され得ることを理解するであろう。生物学的材料を操作するのに有用である光トラップを構成するために用いられるレーザビーム10の波長は、約400nmから約1060nmの赤外、近赤外、および可視の波長を含む。
【0103】
さらに他の実施形態では、光学データストリームを記録し、解析し、そして/あるいは回折光学素子13を介してビームレット32の一つあるいはすべての位置、単一のトランスファーレンズL1の位置、および/または可動ビームスプリッタ51の位置を正確に調整するように適応されたコンピュータ66が光学データストリームを受け取ってもよい。あるいは、光学データストリームは、強度をモニタするための光検出器、あるいは光学データストリームをコンピュータ66によって使用するために適用されたデジタルデータストリームに変換するいかなる適した装置によって処理されてもよい。
【0104】
リアルタイムの光学データストリームは、雑音が制御されていれば、より有用な情報を提供する。図2に示すように、偏光素子あるいはバンドパス素子のようなフィルタ素子53を、光学データストリームの軸に沿って進む反射、散乱あるいは非回折レーザ光10の量を減らすように、光学データストリームの通り道内に置く。このフィルタ素子53は、1つ以上の予め選択された波長を除去し、いくつかの実施形態においては光学データストリームのある予め選択された波長を除く全てを除去する。
【0105】
光学データストリームにおける雑音を制限する他の方法は、光学データストリームをシャッタで遮る、あるいは光学データストリームにパルスを与えることである。図3は、制御可能なシャッタ62および63のシステムを示している。シャッタの一つの利点は、光学データストリームから雑音または干渉の実質的に全てをなくすことである。シャッタ62は、開く動作をレーザビーム10のオン・オフと協働させることによって、光学データストリームをシステムから自由に通過させることを選択的にブロックしたり、ブロックしなかったりする。レーザビームが発生されていないときには光学データストリームはブロックされ、集光された光ビームが発生されているときには光学データストリームはブロックされない。レーザビーム10がシャッタでふさいだりしているとき(これがビームレット32およびそれから得られる光トラップ1002を「オン」および「オフ」の切り替えを引き起こす)に光トラップ内の微小粒子(図示せず)の制御を維持するために、シャッタのパルスレートは操作されている粒子の性質に応じて調整される。しかしながら、あまりにもゆっくりしたパルスレートは、補足されている粒子が漂うのを許してしまう。粒子が漂うことが望ましいような状況に関しては、パルスレートは、漂うように仕向けるように調整されてもよい。
【0106】
あるいは、シャッタ62は、レーザビーム(図示せず)あるいはビームレットが対物レンズへと自由に通過することを妨げる。シャッタ63の開いたり閉じたりを光学データストリームのモニタリングの「オン」および「オフ」と協働させることによって、雑音は減少する。いくつかの例においては、シャッタを二重に用いることが望ましい。シャッタを二重に用いることの一つの利点は、レーザビーム10とモニタリング機器の両方とを常時「オン」にしたままにできることである。このような構成においては、シャッタ62および63の活動のみを協働させる必要がある。コンピュータ66は、シャッタ62および63を選択的に制御するために用いられてもよい。
【0107】
図4に、光学データストリームを提供するように可動ミラー41およびビームスプリッタ51と組み合わせられた単一のトランスファーレンズL1の後にシステム内に配置された伝統的な望遠鏡のトランスファーレンズシステム42を使用することが、機器の入手可能性、物理的なスペースの制限あるいは他の性能のパラメータに恩恵をもたらすような場合に有用である実施形態を示す。
【0108】
装置8は、複数の微小粒子を操作するためのシステムの一部として有用である。この装置に加えて、システムは、集光された光ビームを生成するための光源(図示せず)、集光された光ビーム10、および光トラップ1002および1004によって操作される複数の微小粒子3000を含んでいる。
【0109】
発明によると、複数の光トラップが作り出される。いくつかの実施形態では、光トラップは、生物学的な材料を操作するのに必要な勾配の状態を形成する。
【0110】
ここで関係する発明の範囲から逸脱することなく上記装置に変更を行い得るので、上記説明に含まれ、付随する図面、明細書およびクレームに示されている全ての事項は例示的なものであると解されるべきであり、限定的な意味ではない。
【0111】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【0112】
【図1】図1Aは微小粒子のアレイを操作するシステムを示し、図1Bは微小粒子のアレイを操作する第一の代わりのシステムを示し、図1Cは、反射回折光学素子を有する、微小粒子のアレイを操作する第二の代わりのシステムを示し、図1Dは、可動ミラーを有する、微小粒子アレイを操作する第三の代わりのシステムを示し、図1Eは、可動ミラーを有する、微小粒子のアレイを操作する第四の代わりのシステムを示している。
【図2】図2は、リアルタイムでの雑音のない観察用に適応された、微小粒子のアレイを操作する第五の代わりのシステムを示している。
【図3】図3は、リアルタイムでの雑音のない観察用に適応された、微小粒子のアレイを操作する第六の代わりのシステムを示している。
【図4】図4は、リアルタイムでの観察用に適応された、微小粒子のアレイを操作する第七の代わりのシステムを示している。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to optical traps. In particular, the invention relates to devices, systems and methods for applying a light gradient force to form a plurality of light traps for manipulating microparticles.
[Background Art]
[0002]
Throughout this application, various publications are referenced. In order to more fully describe the state of the art relevant to the present invention, the disclosures of these publications are hereby incorporated by reference in their entirety herein.
[0003]
Optical tweezers are optical tools that use the gradient force of a focused light beam to manipulate particles having a higher dielectric constant than the surrounding medium. To minimize that energy, move such particles to the area where the electric field is highest. In terms of moments, the focused light beam generates radiation pressure, which produces small forces by the absorption, reflection, diffraction or refraction of light by particles. The power caused by the radiation pressure is almost negligible ... a light source such as a diode-pumped Nd: YAG laser operating at 10 mW only produces a few picoNewtons. However, a few picoNewtons of force are sufficient to manipulate microparticles.
[0004]
Other optical tools that can be used to manipulate microparticles include vortexes, optical bottles, optical rotators, optical cages, and the like. Not limited. Optical vortices are similar in use to optical tweezers, but operate on the opposite principle. The optical vortex creates a gradient surrounding the region of zero electric field, which helps to manipulate particles with a lower dielectric constant than the surrounding medium, or other types of particles that repel reflective or optical tweezers. To minimize its energy, such particles are moved to the region where the electric field is lowest, ie, the zero electric field region at the focus of the nearly shaped laser beam. Optical vortices provide a region of zero electric field, such as a hole in a donut (toroid). The light gradient is radial and has the highest electric field around the circumference of the donut. Optical vortexes confine the microparticles inside the donut hole. This constraint is achieved by sliding the vortex over the microparticle along a line of zero electric field.
[0005]
Optical bottles differ from optical vortices in that they have a zero electric field only at the focus and a non-zero electric field at the end of the vortex. Optical bottles are useful for trapping atoms and nanoclusters that are too small or too absorptive for trapping with optical vortex or optical tweezers. J. Aalto and M. J. Paget, "Generating a Beam with Dark Focus Surrounded by a High Brightness Area, Optical Bottle Beam," Optical Letters 25, pp. 191-193. 2000 (Non-Patent Document 1).
[0006]
The optical rotator is a recently described optical tool that provides a pattern of spiral arms for trapping objects. The trapped object is rotated by changing the pattern. El Patterson, MP McDonald, Jay Aalto, W. Civet, P. Bryand, and Keidralia, "Controlled Rotation of Optically Trapped Fine Particles", Science 292, pp. 912-914. 2001 (Non-Patent Document 2). This class of tools is useful for manipulating non-spherical particles and driving MEMS devices or nanomachines.
[0007]
Optical cages are described by Neil in US Pat. No. 5,939,716, which is broadly a macroscopic optical vortex. The light cage forms an optical vortex ring to surround particles that are too large or too reflective or have a lower dielectric constant than the surrounding medium. If the optical vortex is like a donut, the light cage is like a donut with jelly. The jellyfill is a region where the electric field is low, whereas the donut hole (with respect to vortex) is the region of zero electric field. Generally, the gradient force of the optical tweezers forming the donut directs particles of a lower dielectric constant than the surrounding medium to jelly, which may also be a less bright region located between the optical tweezers. "Push". However, unlike vortexing, a region of non-zero electric field is created.
[0008]
It is known in the art to use a single beam of laser light with a diffractive optical element to form a plurality of focused laser beams to form an array of optical traps. U.S. Patent No. 6,055,106 to Greer and Dufres describes an array of optical traps. This patent teaches using a physical transfer lens to direct the diffracted laser beam to an opening behind the focus lens. A plurality of physical lenses are used to direct the laser beam and overlap the aperture behind the focus lens with sufficient overlap to obtain an effective numerical aperture (NA) of at least about 0.8. This effective numerical aperture is necessary to trap and manipulate particles in three dimensions, as taught in U.S. Pat. No. 5,079,169 to Chu and Kronis. It is considered to be the minimum NA. Disadvantages of the device described in U.S. Pat. No. 6,055,106 are that each lens requires a significant amount of physical space to operate within it, and that each lens is serviced, It must be cleaned and arranged. Those familiar with transfer lens systems will appreciate that the more lenses in the system, the greater the chance of misalignment and other maintenance issues. Therefore, there is a need to reduce the number of lenses in a transfer lens system used to form an array of optical traps. The present invention fulfills this need.
[0009]
A common technique for monitoring the activity of an optical trap described in US Pat. No. 6,055,106 is to place a beam splitter in the path of a laser beam and thereby obtain optical data. To create a stream. One limitation of this approach is the adverse effect that noise has on the optical data stream. With respect to optical traps, noise refers to the undiffracted focused beam of light or energy in the system, the light emanating from the optical trap, and lens defects in the physical transfer lens system due to lens defects, dust, or dust. Refers to interference with the imaging, measurement and / or observation of light traps, their contents or surrounding areas, due to the presence of reflected or diffracted light. One method of reducing noise, as taught in US Pat. No. 6,055,106, directs the laser beam at an oblique angle to the diffractive element, so that it is not diffracted. The objective is to keep the beam away from the objective lens. While useful for its intended purpose, other sources of noise remain. There is a need to reduce or eliminate noise caused by laser light scattered and reflected from the system components that create the undiffracted laser beam and the array of optical traps. The present invention fulfills this and other needs, and provides related advantages.
[Non-patent document 1]
J. Aalto and M. J. Paget, "Generating a Beam with Dark Focus Surrounded by a High Brightness Area, Optical Bottle Beam," Optical Letters 25, pp. 191-193. 2000 years.
[Non-patent document 2]
El Patterson, MP McDonald, Jay Aalto, W. Civet, P. Bryand, and Keidralia, "Controlled Rotation of Optically Trapped Fine Particles", Science 292, pp. 912-914. 2001.
[Patent Document 1]
U.S. Pat. No. 5,939,716
[Patent Document 2]
U.S. Patent No. 6,055,106
[Patent Document 3]
U.S. Pat. No. 5,079,169
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0010]
Therefore, an object of the present invention is to provide a “subject of the invention” that can solve the above-described problems. This object is achieved by a combination of features described in the independent claims. The dependent claims define further advantageous embodiments of the present invention.
[Means for Solving the Problems]
[0011]
The present invention provides new and improved methods, systems and devices for creating, monitoring and controlling optical trap arrays using a single physical transfer lens. The invention also eliminates "noise" caused by scattered, undiffracted, and reflected light in the system, or improves monitoring and control of light traps removed by shutters.
[0012]
Transfer lenses are eliminated or reduced by converting the lens function into a diffractive optical element in systems that generate multiple optical traps. The diffractive optical element also changes any phase of the beam. By transforming the diffractive optics to converge multiple beams, the invention moves the multiple beams into an aperture behind the objective lens, overlays them, and creates a single physical Creates an advantageous situation for using a dynamic transfer lens.
[0013]
In its basic form, the invention (FIG. 1A) is a focused beam of light or energy, such as a single laser beam diffracted by a diffractive optical element with converted lens function. This laser beam is diffracted into a plurality of beams, each of which is also focused by a diffractive element and then directed to a single transfer lens. A single transfer lens directs these multiple beams to an opening behind a focus lens (such as a microscope objective), thereby forming multiple optical traps. To change the position of any light trap, the beam forming that trap may be steered to a new position via a diffractive optical element, thereby changing the position of the resulting light trap. A movable mirror may be added to change the position of all the optical traps simultaneously as a unit (FIGS. 1D, 1E, 2 and 4). In some cases, movement of a single transfer lens may also be desirable to change the position of any light traps.
[0014]
The selective generation and control of an array of optical traps with a single lens transfer system can be performed, for example, in the design and manufacture of optical circuits, in the construction of nanocomposites, in the manufacture of electronic components, in optoelectronics, chemical and biological Assembling sensor arrays, holographic data storage matrices, energy sources or optical motors driving MEMS, promoting combinatorial chemistry, promoting self-organization of colloids, querying biological materials, selecting biological It may be useful in a wide variety of commercial applications, such as enriching materials, investigating the properties of biological materials, and examining biological materials.
[0015]
In some embodiments of the invention (FIGS. 2-4), a beam splitter is placed in the beam's path in front of the focus lens and the optical data stream is filtered to limit the passage of undiffracted scattered or reflected light. By introducing a filter along to reduce such noise, it is possible to view the activity of the light trap array in real time. This noise can interfere with monitoring the optical data stream in video or other ways. A movable mirror that is useful for adjusting the position of the entire light trap array may be combined with the beam splitter (FIGS. 2 and 3) or added to the system (FIG. 4).
[0016]
Providing noise reduction by periodically blocking the laser light with a shutter (FIG. 3) and monitoring the optical data stream and / or by shuttering the optical data stream when the laser is on. Is also good.
[0017]
Other features and advantages of the invention will be set forth, in part, in the description that follows and the accompanying drawings. In these, preferred embodiments of the present invention have been described and illustrated, and will become apparent to those skilled in the art upon review of the detailed description that follows in conjunction with the accompanying drawings. Alternatively, one may learn preferred embodiments of the invention by practicing the invention. The advantages of the invention will be realized and obtained by means of the instruments and combinations particularly pointed out in the appended claims.
[0018]
That is, according to a first aspect of the present invention, there is provided a method of forming a plurality of movable optical traps, comprising: generating a focused light beam and converting the focused light beam to a phase having a variable optical surface. Directing the patterning optical element to form a plurality of beamlets emanating from the phase patterning optical element, each beamlet having a phase profile, and directing the beamlet emanating from the phase patterning optical element to the phase patterning optical element Converging at a position between the phase patterning optical element and a single transfer lens, passing the beamlet emanating from the phase patterning optical element through the single transfer lens to form an aperture behind a focus lens. The beamlets are superimposed on each other and the beamlets emitted from the focus lens are By bundle, characterized in that it comprises forming a plurality of optical traps.
[0019]
The method may further include changing the converging position of at least one beamlet emanating from the phase patterning optical element by changing the optical surface to change the location of at least one light trap.
[0020]
The optical trap may be selected from the group consisting of an optical tweezer, an optical vortex, an optical bottle, an optical rotator, an optical cage, and combinations thereof.
The method may further include changing the phase profile of at least one of the beamlets emanating from the phase patterning optical element by changing the optical surface.
The method may further include manipulating biological material with the light trap.
[0021]
The focused light beam may be a laser beam. The wavelength of the laser beam may be a green spectrum. The wavelength of the laser beam may be selected from a range of about 400 nm to about 1060 nm.
Prior to overlapping the beamlets at the aperture behind the focus lens, the method may further include steering the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group with a movable mirror.
[0022]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method of forming a plurality of movable optical traps, comprising: generating a focused energy beam; and applying the focused energy beam to a phase pattern having a variable optical surface. Guiding the beamlets to form a plurality of beamlets, converging the beamlets with the phase patterning optics, passing the beamlets through a single transfer lens, and passing the beamlets through an aperture behind a focus lens. And converging the beamlets emitted from the focus lens to form a plurality of optical traps.
[0023]
The method may further include altering the convergence of at least one beamlet emanating from the phase patterning optical element by altering the optical surface to alter an arrangement of at least one optical trap.
[0024]
The method may further include forming two or more different types of optical traps selected from optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage.
[0025]
The method may further include changing the phase profile of at least one of the beamlets with the phase patterning optical element.
The focused energy beam may be electromagnetic wave energy.
[0026]
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method of forming and monitoring a plurality of movable optical traps, comprising: generating a focused light beam and directing the focused light beam to a phase patterning optical element. Directing and forming a plurality of beamlets emanating from the phase-patterning optical element having a variable optical surface, each beamlet having a phase profile, and directing the beamlet emanating from the phase-patterning optical element to the phase-patterning optical element. An element converging at a position between the phase patterning optical element and a single transfer lens, passing the beamlet emanating from the phase patterning optical element through a single transfer lens, and passing the beamlet at the surface of a beam splitter. To produce two streams of beamlets, said beam splitter A first stream of beamlets is reflected into an opening behind the focus lens, a second stream of beamlets is reflected to form an optical data stream, and the beamlets emanating from the focus lens are converged to a plurality. Forming an optical trap.
[0027]
The method may further include changing the convergence of at least one beamlet emanating from the phase patterning optical element to change the location of at least one light trap.
[0028]
The method may further include forming two or more different types of optical traps selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage.
[0029]
The method may further include varying at least one of the phase profiles of the beamlets with the phase patterning optics.
[0030]
The method may further include manipulating biological material with the light trap. The focused light beam may be a laser beam. The wavelength of the laser beam may be a green spectrum. The wavelength of the single laser beam may be selected from a range of about 400 nm to about 1060 nm.
[0031]
The method may further include steering the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group with a movable mirror before overlapping the beamlets at an opening behind the focus lens.
[0032]
The method may further include converting the optical data stream to a video signal. The method may further include obtaining and analyzing a spectrum of the optical data stream.
The method may further include receiving the optical data stream at a computer. Changing the optical surface may be instructed by a computer.
The method may further include altering the optical surface to change an arrangement of at least one optical trap in response to the analyzed spectrum of the optical data stream.
[0033]
The method may further include changing the optical surface to change an arrangement of the at least one optical trap in response to the video signal.
[0034]
The method may further include removing all but a preselected wavelength of light from the optical data stream.
The method may further include removing one or more preselected light wavelengths from the optical data stream.
[0035]
The method includes the step of blocking the optical data stream such that the optical data stream is blocked when the focused light beam is not being generated and the optical data stream is not blocked when the focused light beam is being generated. The method may further include selectively generating an illuminated light beam and selectively blocking or not blocking the optical data stream.
[0036]
The method includes selectively blocking or not blocking the beamlets emanating from the phase patterning optics from passing through the beam splitter, and selecting the optical data stream when blocking the beamlets. Monitoring may be further included.
[0037]
According to a fourth aspect of the invention, an apparatus for generating at least two optical traps, receiving a focused light beam and diffracting it into at least two beamlets, each having a phase profile. A phase-patterning optical element, and a virtual lens transformed into the phase-patterning optical element, wherein each beamlet emanating from the phase-patterning optical element converges at a position between the phase-patterning optical element and a single transfer lens. A single transfer lens for guiding the beamlets emitted from the phase patterning optical element and superimposing the beamlets at an opening behind a focus lens, and converging each beamlet emitted from the transfer lens to form the optical trap. Forming the focus lens and Said superimposing said beamlets behind the opening of the focusing lens, characterized by comprising a single transfer lens between the phase patterning optical element and the focus lens.
[0038]
The single transfer lens may be movable. The phase patterning optical element may have a static surface. The static surface may be repositionable to align different portions of the static surface to receive the light beam. The static surface may consist of two or more discontinuous, heterogeneous regions. The static surface may change substantially continuously.
[0039]
The phase patterning optical element is formed of at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. It may be selected.
The phase patterning optic may be dynamic. Altering the transformed virtual lens selectively may alter the number of beamlets emanating therefrom.
[0040]
Altering the transformed virtual lens selectively may alter a convergence position of at least one of the beamlets emanating therefrom.
Altering the phase patterning optic selectively may alter the phase profile of at least one of the beamlets emanating therefrom.
[0041]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for generating and monitoring at least two optical traps, comprising: receiving a focused light beam and converting it to at least two beamlets, each having a phase profile; A phase-patterning optical element that diffracts into light, and converges each beamlet emanating from the phase-patterning optical element at a position between the phase-patterning optical element and a single transfer lens. A lens, a single transfer lens that directs the beamlets emanating from the phase patterning optics to overlap on a surface of a beam splitter, and two beamlets that receive the beamlets emanating from the single transfer lens. Create a stream and then bee Beam splitters that reflect a first stream of droplets to an aperture behind a focus lens and reflect a second stream of beamlets to form an optical data stream; and each beamlet emanating from the beam splitter. And the focus lens that forms at least two optical traps by converging.
[0042]
The single transfer lens may be movable. The phase patterning optical element may have a static surface. The static surface may be repositionable to line up different portions of the static surface to receive the light beam. The static surface may consist of two or more discontinuous, heterogeneous regions. The static surface may change substantially continuously.
[0043]
The phase patterning optical element is at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. One may be selected from one.
[0044]
The phase patterning optic may be dynamic. The dynamic phase patterning optics may be selectively variable, so that the number of beamlets emanating therefrom can be varied.
The dynamic phase patterning optics may be selectively variable, so that it is possible to change the convergence position of each individual beamlet emanating therefrom.
The dynamic phase patterning optics may be selectively alterable, thereby altering the phase profile of each individual beamlet emanating therefrom.
[0045]
The phase patterning optical element includes a computer-generated variable diffraction pattern, a variable phase shift material, a variable liquid crystal phase shift array, a micro mirror array, a piston mode micro mirror array, a spatial light modulator, an electro-optical deflector, an acousto-optic modulator. At least one of the group consisting of a vessel, a deformable mirror, and a reflective MEMS array.
[0046]
The beam splitter is a stationary omnidirectional mirror, a stationary optical bandgap mirror, a stationary dichroic mirror, a movable omnidirectional mirror, a movable optical bandgap mirror, and a movable dichroic mirror. It may be selected from at least one.
[0047]
A movable mirror disposed upstream of the transfer lens and for steering the beamlets emitted from the phase patterning optical element as a group before overlapping the beamlets at the opening behind the focus lens. May be.
A telescope lens system may be further provided between the movable mirror and the focus lens.
[0048]
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided an apparatus for creating and monitoring a plurality of optical traps, which receives a single laser beam and converts it into at least two beamlets, each having a phase profile. A dynamic diffractive optical element that diffracts, and a virtual transformed at the diffractive optical element that focuses the beamlets emanating from the phase patterning optical element at a location between the phase patterning optical element and a single transfer lens. A lens, a single transfer lens for directing the beamlets emanating from the phase patterning optics to overlap on a surface of a beam splitter, and receiving the beamlets emanating from the single transfer lens and receiving two beamlets. Create a stream, and the first stream of beamlets The beam splitter for reflecting a second stream of beamlets to form an optical data stream, and converging at least each beamlet emanating from the beam splitter. The focus lens forming two optical traps.
[0049]
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a system for generating a plurality of optical traps for manipulating microparticles, comprising a plurality of microparticles, a light source for generating a focused light beam, And a phase patterning optical element for receiving the focused light beam and diffracting it into at least two beamlets each having a phase profile, and each beamlet emanating from the phase patterning optical element Converging at a position between the phase patterning optical element and a single transfer lens, the virtual lens converted into the phase patterning optical element, the phase patterning optical element, and a focus lens through which each beamlet passes. Wherein said single transfer lens is located between A single transfer lens as superimposed at an opening behind the lens and at least two light traps, each capable of manipulating one of a plurality of microparticles, said transfer lens The focus lens for converging each beamlet emitted from the lens.
[0050]
The single transfer lens may be movable. The light trap may move in response to movement of the single transfer lens. The phase patterning optical element may have a variable optical surface. The phase patterning optical element may have a static surface. The static surface may be movable to match the focused light beam to a selected area of the static surface. The static surface may consist of two or more discontinuous, heterogeneous regions. The static surface may be changing substantially continuously.
[0051]
The phase patterning optical element is at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. One may be selected from one.
[0052]
The phase patterning optic may be dynamic. The phase patterning optical element includes a computer-generated variable diffraction pattern, a variable phase shift material, a variable liquid crystal phase shift array, a micromirror array, a piston mode micromirror array, a spatial light modulator, an electro-optic deflector, an acousto-optic modulator. At least one of the group consisting of a vessel, a deformable mirror, and a reflective MEMS array.
[0053]
The computer may further include a computer for selectively changing the phase patterning optical element. At least some of the plurality of microparticles may be a biological material.
[0054]
The light source may be a laser, and the focused light beam may be a laser beam having a wavelength in a green spectrum.
The light source may be a laser, and the focused light beam may be a laser beam having a wavelength selected from a range of about 400 nm to about 1060 nm.
[0055]
Before the beamlets are superimposed on the opening behind the focus lens, a movable mirror for steering the beamlets emitted from the phase patterning optical element as a group may be further provided.
[0056]
A telescope lens system may be further provided downstream from the single lens and before the focus lens.
[0057]
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a system for manipulating microparticles using an optical trap, comprising a plurality of microparticles, a light source for generating a focused light beam, and a focused light beam. And a phase patterning optical element that receives the focused light beam and diffracts it into at least two beamlets, each having a phase profile, and converts each beamlet emanating from the phase patterning optical element to the phase patterning optical element. A virtual lens transformed into the phase patterning optics, which converges at a position between the element and a single transfer lens, and two streams of beamlets receiving the beamlets emanating from the phase patterning optics. Create and focus the first stream of beamlets on the opening behind the focus lens A beam splitter that reflects the second stream of beamlets to form an optical data stream, the phase patterning optics, and the focus lens through which each beamlet passes. A single transfer lens, wherein each beamlet is superimposed at an aperture behind the focus lens and each is capable of manipulating one of the plurality of microparticles. It comprises at least two optical traps and a monitor of the optical data stream.
[0058]
The single transfer lens may be movable. The light trap may move in response to movement of the single transfer lens. The phase patterning optical element may have a variable optical surface. The phase patterning optical element may have a static surface. The static surface may be movable to selectively focus the focused light beam on a selected area of the static surface.
[0059]
The static surface may consist of discontinuous, heterogeneous regions. The static surface may be changing substantially continuously.
[0060]
The phase patterning optical element is at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. It may be selected from one.
The phase patterning optic may be dynamic.
The phase patterning optical element includes a computer-generated variable diffraction pattern, a variable phase shift material, a variable liquid crystal phase shift array, a micromirror array, a piston mode micromirror array, a spatial light modulator, an electro-optic deflector, an acousto-optic modulator. At least one of the group consisting of a vessel, a deformable mirror, and a reflective MEMS array.
The computer may further include a computer for selectively controlling the dynamic phase patterning optical element.
[0061]
At least some of the plurality of microparticles may be a biological material.
The light source may be a laser, and the focused light beam may be a laser beam having a green spectrum wavelength.
The light source may be a laser, and the focused light beam may be a laser beam having a wavelength selected from a range of about 400 nm to about 1060 nm.
Before the beamlets are superimposed on the opening behind the focus lens, a movable mirror for steering the beamlets emitted from the phase patterning optical element as a group may be further provided.
[0062]
A telescope lens system may be further provided downstream from the single lens and before the focus lens.
The monitor may be a human monitor. The monitor may be a video monitor.
The system may further comprise means for converting the optical data stream into a digital data stream. The optical data stream may further include a spectrometer for generating a spectrum.
The computer may further include a computer that receives the digital data stream by converting the optical data stream into a digital data stream.
The computer may further include a computer that receives and processes the optical data stream into a digital data stream and changes the location of at least one of the optical traps based on information in the optical data stream.
[0063]
Before superposing the beamlets at the opening behind the focus lens, the computer may further comprise a computer for causing a movable mirror to steer the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group.
A computer for analyzing the spectrum; and a computer for causing the movable mirror to steer the beamlet emitted from the phase patterning optical element before overlapping the beamlet at the opening behind the focus lens. May be.
[0064]
The optical data stream may further include a polarization filter or a bandpass filter disposed in a path of the optical data stream.
The system may further comprise a shutter that selectively blocks the optical data stream when the focused light beam is on and does not block the optical data stream when the focused light beam is off. .
The system may further include a shutter for selectively blocking the collected light beam when the optical data stream is being monitored.
[0065]
The light source that generates the focused light beam may be a laser, and the focused light beam may be a laser beam.
A first shutter that selectively blocks the laser beam when the optical data stream is being monitored, and selectively blocks the optical data stream when the laser beam is on and the laser beam is off And a second shutter that does not block said optical data stream when.
[0066]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided an optical system for monitoring and manipulating microparticles, comprising: a source of a single beam of focused energy; A dynamic diffractive optical element, a plurality of focused beamlets generated by directing the single beam to the optical element, a focus lens, and an optical path of the focused beamlet. Creating two streams of beamlets, reflecting the first stream of beamlets in an overlapping manner at the opening behind the focus lens, and forming the second stream of beamlets into an optical data stream. A beam splitter that reflects light from the optical element and the beam splitter. Ku and movable single lens, characterized in that it comprises at least two optical traps are formed by the convergence of the beamlets passing through the focus lens, and a monitor for the optical data stream.
[0067]
The source of the single beam of focused energy is a solid state laser, a diode pumped laser, a gas laser, a dye laser, an alexandrite laser, a free electron laser, a VCSEL laser, a diode laser, a Ti-sapphire laser, a doped YAG laser, It may be selected from the group consisting of a YLF laser, a diode pumped YAG laser, a flashlamp pumped YAG laser, a light emitting diode and a light emitting diode with an integrated collimating element.
The focused light beam may be electromagnetic wave energy. The light trap may move in response to movement of the single lens. The change in the arrangement of the light traps may be caused by at least one change in the optical element.
[0068]
Each optical trap may be selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage.
[0069]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a method of forming a plurality of movable optical traps, comprising: generating a focused light beam; guiding the focused light beam to a phase patterning optical element; Forming a plurality of beamlets emanating from the phase patterning optical element, each beamlet having a phase profile, wherein the beam pattern emanating from the phase patterning optical element is coupled to the phase patterning optical element with the phase patterning optical element. The beamlet emanating from the phase patterning optical element is converged at a position between the single transfer lens and the beamlet emitted from the phase patterning optical element is passed through the single transfer lens by a movable mirror, and the beamlet is formed at an opening behind a focus lens. Stack the beamlets and combine the beamlets emitted from the focus lens By bundle and forming a plurality of optical traps.
[0070]
The method may further include moving the mirror to change an arrangement of at least one optical trap.
[0071]
The optical trap may be selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, optical cage, and combinations thereof. The method may further include manipulating biological material with the light trap.
[0072]
Note that the above summary of the present invention does not list all of the necessary features of the present invention, and a sub-combination of these features may also be an invention.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0073]
Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the present invention. However, the following embodiments do not limit the invention according to the claims, and all of the combinations of the features described in the embodiments are not limited thereto. It is not always essential to the solution of the invention.
[0074]
In the following specification, certain terms are used for convenience and reference, and not for limitation. A simple definition is shown below.
[0075]
A. "Beamlet" refers to diffracting a beam, such as light generated by a laser or a collimated output from a light emitting diode, or a focused beam of other energy sources, into two or more sub-beams Refers to a sub-beam of focused light or other energy source generated by passing through a medium. One example of a beamlet is a higher order laser beam diffracted from a grating.
[0076]
B. "Phase profile" refers to the phase of light or other energy source in the cross section of the beam.
[0077]
C. "Phase patterning" refers to imparting a focused phase beam of light, another energy source or beamlet, with a patterned phase shift that alters its phase profile. Including, but not limited to, phase modulation, mode shaping, splitting, convergence, divergence, shaping, and other steering of the focused beam.
[0078]
Various embodiments of the inventive apparatus for forming a plurality of movable light traps are indicated generally at 8 and are shown in FIGS. 1A, 1B and 1C. In the embodiment shown in FIG. 1A, a movable array of light traps is formed by generating a focused beam of energy, such as electromagnetic wave energy. In a preferred embodiment, the electromagnetic wave is a light wave, preferably having a wavelength from about 400 nm to about 1060 nm, and more preferably having a wavelength in the green spectrum. This beam is formed, for example, from a collimated output from a light emitting diode or preferably from a collimated light such as the laser beam 10 shown in FIGS.
[0079]
The focused light beam is directed along an optical axis 500 through a phase patterning optic having a variable optical surface, such as a diffractive optical element 12 having a variable optical surface, to form a plurality of beams having a selected phase profile. Generates let 32 and 33 (two shown). The optical element is arranged substantially in a plane conjugate to the plane 15 of the opening 16 behind the focus lens, such as the objective lens 18. Changing the optical surface of the diffractive optical element changes the beamlet.
[0080]
A virtual lens is transformed in the diffractive optical element 12, and the virtual lens converges a plurality of beamlets to a position between the transformed diffractive optical lens and a single transfer lens. After converging, the converted beamlets emanating from the diffractive optical element are directed through a transfer lens such that the beamlets overlap at an aperture behind a focus lens, such as objective lens 18. The beamlets are then converged by the focus lens to form a plurality of optical traps 1002 and 1004 within the working focal area 2000. The working focus area 2000 is the area where the medium containing the particles 3000 or other material 3002 to be investigated, measured or manipulated by the optical traps 1002 and 1004 is located.
[0081]
Any suitable laser can be used as a source of the laser beam 10. Useful lasers include solid state lasers, diode pumped lasers, gas lasers, dye lasers, alexandrite lasers, free electron lasers, VCSEL lasers, diode lasers, Ti-sapphire lasers, doped YAG lasers, doped YLF lasers, diode pumped YAG lasers, and There is a flashlamp pumped YAG laser. A diode-pumped Nd: YAG laser operating between 10 mW and 5 mW is preferred.
[0082]
When the focused light beam 10 is directed through the transformed diffractive optical element 12, the transformed diffractive optical element produces a plurality of phase profile altered diffracted beamlets 32 and 33. This alteration of the phase profile can include wavefront shaping, phase shifting, steering, divergence and convergence, depending on the type of optical trap desired, optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, optical cage and Form different types of optical traps, including different types of combinations. For clarity, only two diffracted beamlets and two corresponding optical tweezers 1002 and 1004 are shown, but it is not possible that an array of such beamlets would be created by the transformed diffractive optical element. You can understand.
The arrangement of each trap is selectively controlled by the converted diffractive optical element. It is an important feature of the present invention that the movement of each trap is selectively controllable in rotation in a fixed position, rotation in an unfixed position, two-dimensional and three-dimensional, and continuously and stepwise. It is. Control is achieved by changing the surface of the diffractive optical element through which the beam passes, thereby changing the converging position of the beamlets emanating from the converted diffractive optical element.
[0083]
Suitable diffractive optics are characterized as transmissive or reflective, depending on how to direct the focused light beam. The transmissive diffractive optical element focuses the light beam as shown in FIGS. 1A and 1B, while the reflective diffractive optical element reflects the beam as shown in FIG. 1C.
[0084]
Within the two broad groups, the diffractive optical elements are distinguished from being formed from static media or from dynamic media. Examples of suitable static diffractive optics include those having a fixed surface such as a grating. The grating includes a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and the like.
[0085]
A static diffractive optical element may have different regions, each region configured to provide a different phase profile for the beamlet. In such an embodiment, the surface of the static diffractive optical element is moved in relation to the laser beam 10 to change the desired properties imparted to the beamlet, ie, of the resulting beamlet. Can be changed by selecting an appropriate region to change at least one desired phase profile. In some embodiments, the static surface includes two or more discontinuous, heterogeneous regions. In other embodiments, the static surface is changing substantially continuously.
[0086]
Examples of suitable dynamic diffractive optics that have a time-dependent aspect to function include computer generated variable diffraction patterns, variable phase shift materials, variable liquid crystal phase shift arrays, micro Includes mirror arrays, piston mode micromirror arrays, spatial light modulators, electro-optic deflectors, acousto-optic modulators, deformable mirrors, reflective MEMS arrays, etc. With dynamic diffractive optics, the features of the transformed surface can be modified, for example by a computer, to change the number of beamlets, at least one phase profile of the beamlets, and at least one arrangement of the beamlets. It is.
[0087]
The virtual lens converted on the diffractive optical element changes the phase of light incident on the optical element. A representative virtual lens is, for example, a pattern similar to a Fresnel lens transformed in a reflective grating or nematic liquid crystal orientation. A virtual lens is distinguishable from a physical lens, which affects all of the beamlets 32 and 33 as a whole, as a virtual element that can independently change the relative position of each beamlet 32,33. Effect.
[0088]
The diffractive optical element is also useful for giving a specific phase mode (topological mode) to the laser light. Thus, it is possible that one beamlet 32 is formed in Gaussian-Laguerre mode and the other beamlet 33 is formed in Gaussian mode.
[0089]
Preferred diffractive optics converted to virtual lenses are phase-only, such as the `` PAL-SLM Series X7665 '' manufactured by Hamamatsu of Japan or the `` SLM512SA7 '' manufactured by Boulder Nonlinear Systems of Lafayette, Colorado. Includes a spatial light modulator. These converted diffractive optical elements are computer-controllable and multifunctional. Thus, these diffractive optical elements can generate beamlets 32 and 33 by diffracting laser beam 10 and selectively imparting desired characteristics to the resulting beamlets.
[0090]
Each of the diffracted beamlets originates from area A on the front surface 13 of the transformed diffractive optical element. Each must also pass through a region B on the rear opening 16. The beamlets thereby overlap at the opening 16 behind the objective lens 18. In the embodiment shown in FIG. 1, nearly accurate overlap is efficiently achieved by combining a diffractive optical element converted to a virtual lens with a single movable downstream optical lens L1.
[0091]
The laser beam 10 preferably has a beam diameter w that corresponds to the diameter of the rear opening 16, so that the opening 16 behind the objective lens 18 has little or no fullness, It is an advantage of the inventive system that it not only conserves the intensity of the beam 10 but also maintains the intensity of the electric field gradient that creates the desired pattern of effective optical traps 1002 and 1004 within the operating focal region 2000.
[0092]
It is described from a mathematical point of view. Assume that the effective NA for establishing a gradient force sufficient to form an optical trap is 0.8, and that the effective NA is the equation NA = n * sinφ / 2. Here, n represents the refractive index of the medium outside the objective lens, and φ is the convergence angle of the diffracted beam. Assuming that an oil immersion objective with a refractive index of 1.5 is used, to maintain an effective NA of 0.8, φ forms an optical trap effective to manipulate particles in three dimensions. It must be maintained at least 66 degrees during the movement of the light trap to maintain it.
[0093]
Alternatively, if a too large focus lens having a rear opening that is too large for the laser beam 10 is used, an effective optical trap can be formed without filling the rear opening 16. However, such lenses will require more physical space and may be more costly.
[0094]
Turning to the alternative embodiment shown in FIG. 1B, a controllable array of optical traps places the laser beam 10 substantially in a plane 14 ′ that forms an acute angle β with respect to the optical axis 500. It is formed by passing the converted diffractive optical element 12 having a virtual lens. In this embodiment, the converted beamlets 32 and 33 emanating from the area A on the front surface of the diffractive optical element are guided by the diffractive optical element and pass through the aperture 16 behind the objective lens 18 to provide a working focus. Optical traps 1002 and 1004 are formed in the area 2000. By changing the position of the laser beam 10 with respect to the optical axis 500, a portion of the undiffracted light 34 is removed, which reduces the noise generated by the undiffracted light 34, thereby increasing the efficiency of forming the optical traps 1002 and 1004. And increase its effectiveness. In addition, non-moving optical traps (not shown) that can form undiffracted portions of the laser beam when guided along the optical axis as shown in FIGS. 1A and 1C are eliminated. .
[0095]
FIG. 1C shows an alternative embodiment in which a controllable array of light traps is formed by reflecting a laser beam 10 from a diffractive optical element 12 "having a transformed virtual lens.
[0096]
1D and 1E show an alternative embodiment having a movable mirror 41 that steers the beamlets emitted from the phase patterning optics as a group before overlapping the beamlets at the aperture behind the focus lens. . The movable mirror 41 is arranged upstream of the transfer lens L1 such that the center of rotation is in the area C. A representative beamlet 32 passes from the area A on the front face 13 of the transformed diffractive optical element 12 through the transfer lens L1 to the area C, which reflects the beamlet to the area B of the rear opening 16. I do. Tilting the movable mirror 41 has the effect of changing the angle of incidence of the beamlet 32 with respect to the mirror 41 and can be used to translate the array of optical traps 1002 and 1004.
[0097]
This movable mirror accurately aligns the light trap array within a stationary substrate to dynamically enhance the light trap during fast oscillating displacements of small amplitude, and provides the same number of pulses to the light trap. It is useful both to effectively increase trapping activity by precisely changing the position of the array of light traps, while forming two or more alternating sets of light traps from the beamlets.
[0098]
The embodiment shown in FIG. 1D minimizes beamlet displacement by including a conventional telescope system 42 between the movable mirror 41 and the objective 18. The telescope system consists of two lenses L2 and L3 placed between the conjugate planes 43 and 45, the beamlets being converted from the area A on the front face 13 of the transformed diffractive optical element 12 to the area C on the face 43. Reaches the center of rotation of the beam splitter 51 and passes through a region B on the opening 16 behind the objective lens 18 in the plane 44. In the embodiment shown in FIG. 1E, the movable mirror 41 is placed very close to the rear opening 16 to minimize beamlet displacement.
[0099]
With the embodiment of the invention shown in FIGS. 2 and 3, it is possible to observe in real time the optical data streams of light traps 1002 and 1004 interacting with microparticles 3000 in operating focal region 200. The movable array of light traps 1002 and 1004 is formed using a single lens transfer optic L1. Although only one beamlet 32 is shown for clarity, it should be understood that optical element 12 creates multiple such beamlets.
To create an array of optical traps, the laser beam 10 passes through the diffractive optical element 12 to form a beamlet 32 emanating from region A on the front surface 13 of the converted diffractive optical element 12 and subsequently reaching region C. Generate. Region C is a central region on the surface of beam splitter 51 in front of objective lens 18. Beam splitter 51 comprises a static or movable dichroic mirror, a static or movable optical bandgap mirror, a static or movable omni-directional mirror, or other similar device. The beam splitter shown in FIG. 2 is movable and therefore performs two functions: a movable mirror and a beam splitter. In an alternative embodiment shown in FIG. 3, the beam splitter 51 is fixed.
[0100]
Beam splitter 51 selectively reflects the wavelengths of light used to form the optical trap and transmits other wavelengths to form two streams of beamlets. Thus, as shown in FIGS. 2 and 3, the first stream of beamlets travels from region C through region B of aperture 16 behind objective lens 18, thereby removing all beamlets from the rear aperture. The optical traps 1002 and 1004 are effectively overlapped at the portions. The second stream of beamlets is reflected toward the monitor by beam splitter 51 and used to provide an optical data stream in real time with the aid of an imaging illumination source (not shown). The second stream of beamlets passes through device 8 and is viewed 64a by human monitor 65. The monitor 65 may be an interface with a computer 66, which causes the computer to change system parameters to change the position of one or all of the beamlets 32.
[0101]
Alternatively, the spectrum 64b of the optical data stream can be obtained and analyzed, and / or the optical data stream can be converted to a video signal and monitored by the video monitor 64c. In some embodiments, the optical data stream is passed through a spectrometer and the location of the convergence of at least one beamlet changes the location of the corresponding optical trap in response to spectral analysis or video monitoring. Can be changed.
[0102]
Spectroscopy 64b of a sample of biological material is realized with inelastic spectroscopy or imaging proof suitable for backscattering of polarized light. The former is useful for examining the chemical structure, and the latter is suitable for measuring the size of the nucleus. Computer 66 analyzes the data to identify suspicious cancerous, precancerous, and / or non-cancerous cells and separates and enriches samples of the selected cell type on an optical array. One of skill in the art will recognize that the procedures used to enrich cells based on parameters specific to cancerous cells may be from the scope of the invention to identify and / or enrich other types of cells based on other parameters. It will be appreciated that changes can be made without departing from the invention. Wavelengths of laser beam 10 used to construct optical traps useful for manipulating biological materials include infrared, near-infrared, and visible wavelengths from about 400 nm to about 1060 nm.
[0103]
In still other embodiments, the optical data stream is recorded, analyzed, and / or via diffractive optical element 13 at one or all positions of beamlets 32, the position of a single transfer lens L1, and / or A computer 66 adapted to accurately adjust the position of the movable beam splitter 51 may receive the optical data stream. Alternatively, the optical data stream may be processed by a photodetector for monitoring the intensity or any suitable device that converts the optical data stream into a digital data stream adapted for use by computer 66.
[0104]
Real-time optical data streams provide more useful information if noise is controlled. As shown in FIG. 2, a filter element 53, such as a polarizing element or a bandpass element, is used to reduce the amount of reflected, scattered, or undiffracted laser light 10 traveling along the axis of the optical data stream. Put it on the street. This filter element 53 filters out one or more preselected wavelengths, and in some embodiments, all but a certain preselected wavelength of the optical data stream.
[0105]
Other methods of limiting noise in the optical data stream are to shutter the optical data stream or to pulse the optical data stream. FIG. 3 shows a system of controllable shutters 62 and 63. One advantage of the shutter is that it eliminates substantially all of the noise or interference from the optical data stream. The shutter 62 selectively blocks or does not block free passage of the optical data stream from the system by coordinating the opening operation with the turning on and off of the laser beam 10. The optical data stream is blocked when no laser beam is being generated, and the optical data stream is not blocked when a focused light beam is being generated. When the laser beam 10 is blocked by the shutter (this causes the beamlet 32 and the resulting optical trap 1002 to switch "on" and "off"), the microparticles (not shown) in the optical trap To maintain control, the pulse rate of the shutter is adjusted depending on the nature of the particles being manipulated. However, a pulse rate that is too slow will allow the particles being captured to drift. For situations where it is desirable for the particles to drift, the pulse rate may be adjusted to cause the particles to drift.
[0106]
Alternatively, shutter 62 prevents a laser beam (not shown) or beamlet from freely passing through the objective lens. By coordinating the opening and closing of the shutter 63 with the "on" and "off" monitoring of the optical data stream, noise is reduced. In some instances, it may be desirable to use dual shutters. One advantage of using dual shutters is that both the laser beam 10 and the monitoring equipment can be kept "on" at all times. In such a configuration, only the activities of shutters 62 and 63 need to cooperate. Computer 66 may be used to selectively control shutters 62 and 63.
[0107]
FIG. 4 uses a traditional telescopic transfer lens system 42 located in the system after a single transfer lens L1 combined with a movable mirror 41 and a beam splitter 51 to provide an optical data stream. Provide an embodiment that may be useful in such cases as would benefit equipment availability, physical space limitations, or other performance parameters.
[0108]
Apparatus 8 is useful as part of a system for manipulating a plurality of microparticles. In addition to this device, the system also includes a light source (not shown) for generating a focused light beam, a focused light beam 10, and a plurality of microparticles 3000 operated by light traps 1002 and 1004. Contains.
[0109]
According to the invention, multiple light traps are created. In some embodiments, the light trap creates the gradient required to manipulate the biological material.
[0110]
All matters contained in the above description and shown in the accompanying drawings, specification, and claims are exemplary, as modifications may be made to the device without departing from the scope of the invention herein. Should be understood, but not in a limiting sense.
[0111]
As described above, the present invention has been described using the embodiments, but the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. Various changes or improvements can be added to the above embodiment. It is apparent from the description of the appended claims that embodiments with such changes or improvements can be included in the technical scope of the present invention.
[Brief description of the drawings]
[0112]
1A shows a system for manipulating an array of microparticles, FIG. 1B shows a first alternative system for manipulating an array of microparticles, and FIG. 1C shows a microparticle having a reflective diffractive optical element. FIG. 1D shows a second alternative system for operating a microparticle array having a movable mirror, and FIG. 1E shows a microparticle system for operating a microparticle having a movable mirror. Figure 4 shows a fourth alternative system for operating the array.
FIG. 2 illustrates a fifth alternative system for manipulating arrays of microparticles, adapted for noise-free viewing in real time.
FIG. 3 shows a sixth alternative system for manipulating an array of microparticles adapted for noise-free viewing in real time.
FIG. 4 illustrates a seventh alternative system for manipulating arrays of microparticles, adapted for real-time observation.

Claims (119)

複数の可動光トラップを形成する方法であって、
集光された光ビームを発生し、
前記集光された光ビームを、可変光学表面を有する位相パターニング光学素子に導いて、前記位相パターニング光学素子から発する複数のビームレットを形成し、各ビームレットは位相プロファイルを有しており、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させ、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを、前記単一のトランスファーレンズに通して、フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ね、
前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを包含する方法。
A method of forming a plurality of movable light traps, comprising:
Generates a focused light beam,
Directing the focused light beam to a phase patterning optical element having a variable optical surface to form a plurality of beamlets emanating from the phase patterning optical element, each beamlet having a phase profile;
Converging the beamlets emanating from the phase patterning optical element at a position between the phase patterning optical element and a single transfer lens with the phase patterning optical element;
Passing the beamlets emanating from the phase patterning optics through the single transfer lens and overlapping the beamlets at the opening behind the focus lens;
A method comprising converging the beamlets emanating from the focus lens to form a plurality of optical traps.
前記方法は、前記光学表面を変えることによって前記位相パターニング光学素子から発する少なくとも一つのビームレットの収束位置を変更して、少なくとも一つの光トラップの配置を変えることをさらに包含する請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the method further comprises changing a converging position of at least one beamlet emanating from the phase patterning optical element by changing the optical surface to change an arrangement of at least one light trap. the method of. 前記光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、光ケージ、およびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the optical trap is selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, optical cage, and combinations thereof. 前記光学表面を変えることによって前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットのうちの少なくとも一つの前記位相プロファイルを変化させることをさらに包含する請求項3に記載の方法。4. The method of claim 3, further comprising changing the phase profile of at least one of the beamlets emanating from the phase patterning optic by changing the optical surface. 前記光トラップで生物学的な材料を操作することをさらに包含する請求項1に記載の方法。The method of claim 1, further comprising manipulating biological material with the light trap. 前記集光された光ビームはレーザビームである請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the focused light beam is a laser beam. 前記レーザビームの波長は緑のスペクトルである請求項6に記載の方法。The method of claim 6, wherein the wavelength of the laser beam is a green spectrum. 前記レーザビームの波長は約400nmから約1060nmの範囲から選択される請求項6に記載の方法。The method of claim 6, wherein the wavelength of the laser beam is selected from the range of about 400 nm to about 1060 nm. 前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして可動ミラーで操縦することをさらに包含する請求項1に記載の方法。2. The method of claim 1, further comprising steering the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group with a movable mirror before overlapping the beamlets at an aperture behind the focus lens. 複数の可動光トラップを形成する方法であって、
集光されたエネルギービームを発生し、
前記集光されたエネルギービームを、可変光学表面を有する位相パターニング光学素子に導いて複数のビームレットを形成し、
前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で収束させ、
前記ビームレットを単一のトランスファーレンズに通して、フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ね、
前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを包含する方法。
A method of forming a plurality of movable light traps, comprising:
Generates a focused energy beam,
Directing the focused energy beam to a phase patterning optical element having a variable optical surface to form a plurality of beamlets;
Converging the beamlets with the phase patterning optics,
Passing the beamlets through a single transfer lens and overlapping the beamlets at the opening behind the focus lens;
A method comprising converging the beamlets emanating from the focus lens to form a plurality of optical traps.
前記方法は、前記光学表面を変えることによって前記位相パターニング光学素子から発する少なくとも一つのビームレットの収束を変更して、少なくとも一つの光トラップの配置を変えることをさらに包含する請求項10に記載の方法。The method of claim 10, wherein the method further comprises altering the convergence of at least one beamlet emanating from the phase patterning optical element by altering the optical surface to alter an arrangement of at least one optical trap. Method. 前記方法は、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージから選択される光トラップの2つ以上の異なる種類を形成することをさらに包含する請求項10に記載の方法。The method of claim 10, wherein the method further comprises forming two or more different types of optical traps selected from optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage. 前記方法は、前記位相パターニング光学素子で、前記ビームレットのうちの少なくとも一つの前記位相プロファイルを変化させることをさらに包含する請求項12に記載の方法。13. The method of claim 12, wherein the method further comprises changing the phase profile of at least one of the beamlets with the phase patterning optic. 前記集光されたエネルギービームは電磁波エネルギーである請求項10に記載の方法。The method of claim 10, wherein the focused energy beam is electromagnetic energy. 複数の可動光トラップを形成し、モニタする方法であって、
集光された光ビームを発生し、
前記集光された光ビームを位相パターニング光学素子に導いて、可変光学表面を有する前記位相パターニング光学素子から発する複数のビームレットを形成し、各ビームレットは位相プロファイルを有しており、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させ、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを単一のトランスファーレンズに通して、ビームスプリッタの表面で前記ビームレットを重ね、ビームレットの2つのストリームを生成し、前記ビームスプリッタはビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に反射し、ビームレットの第二のストリームを反射して光学データストリームを形成し、
前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成することを包含する方法。
A method of forming and monitoring a plurality of movable optical traps, comprising:
Generates a focused light beam,
Directing the focused light beam to a phase patterning optic to form a plurality of beamlets emanating from the phase patterning optic having a variable optical surface, each beamlet having a phase profile;
Converging the beamlets emanating from the phase patterning optical element at a position between the phase patterning optical element and a single transfer lens with the phase patterning optical element;
Passing the beamlets emanating from the phase patterning optics through a single transfer lens and superimposing the beamlets on the surface of a beam splitter to produce two streams of beamlets, wherein the beam splitter is the first of the beamlets. Reflecting the second stream of beamlets into an opening behind the focus lens to form an optical data stream;
A method comprising converging the beamlets emanating from the focus lens to form a plurality of optical traps.
前記方法は、前記位相パターニング光学素子から発する少なくとも一つのビームレットの収束を変更して、少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含する請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the method further comprises changing a convergence of at least one beamlet emanating from the phase patterning optics to change an arrangement of at least one light trap. 前記方法は、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージからなる群から選択される2つ以上の異なる種類の光トラップを形成することをさらに包含する請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the method further comprises forming two or more different types of optical traps selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage. . 前記方法は、前記ビームレットの少なくとも一つの前記位相プロファイルを前記位相パターニング光学素子で変化させることをさらに包含する請求項17に記載の方法。The method of claim 17, wherein the method further comprises varying at least one of the phase profiles of the beamlets with the phase patterning optic. 前記方法は、前記光トラップで生物学的材料を操作することをさらに包含する請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein the method further comprises manipulating biological material with the light trap. 前記集光された光ビームはレーザビームである請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the focused light beam is a laser beam. 前記レーザビームの波長は緑のスペクトルである請求項20に記載の方法。21. The method of claim 20, wherein the wavelength of the laser beam is a green spectrum. 前記単一のレーザビームの波長は約400nmから約1060nmの範囲から選択される請求項20に記載の方法。21. The method of claim 20, wherein the wavelength of the single laser beam is selected from a range of about 400 nm to about 1060 nm. 前記方法は、前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして可動ミラーで操縦することをさらに包含する請求項15に記載の方法。16. The method of claim 15, wherein the method further comprises manipulating the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group with a movable mirror before superimposing the beamlets at an opening behind the focus lens. The described method. 前記方法は、前記光学データストリームをビデオ信号に変換することをさらに包含する請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the method further comprises converting the optical data stream to a video signal. 前記方法は、前記光学データストリームのスペクトルを得て解析することをさらに包含する請求項15に記載の方法The method of claim 15, wherein the method further comprises obtaining and analyzing a spectrum of the optical data stream. 前記方法は、前記光学データストリームをコンピュータで受け取ることをさらに包含する請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the method further comprises receiving the optical data stream at a computer. 前記光学表面を変えることは、コンピュータによって指示される請求項16に記載の方法。17. The method of claim 16, wherein changing the optical surface is directed by a computer. 前記方法は、前記光学データストリームの解析された前記スペクトルに応じて、前記光学表面を変えて少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含する請求項25に記載の方法。26. The method of claim 25, wherein the method further comprises altering the optical surface to change an arrangement of at least one optical trap in response to the analyzed spectrum of the optical data stream. 前記方法は、前記ビデオ信号に応じて、前記光学表面を変えて少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含する請求項24に記載の方法。25. The method of claim 24, wherein the method further comprises changing the optical surface to change an arrangement of the at least one optical trap in response to the video signal. 前記方法は、前記光学データストリームから光の予め選択された波長以外の全てを除去することをさらに包含する請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the method further comprises removing all but a preselected wavelength of light from the optical data stream. 前記方法は、前記光学データストリームから、1つ以上の予め選択された光の波長を除去することをさらに包含する請求項15に記載の方法。The method of claim 15, wherein the method further comprises removing one or more preselected light wavelengths from the optical data stream. 前記方法は、前記集光された光ビームが発生されていないときには前記光学データストリームがブロックされ、前記集光された光ビームが発生されているときには前記光学データストリームはブロックされないように、前記集光された光ビームを選択的に発生し、前記光学データストリームを選択的にブロックしたり、ブロックしなかったりすることをさらに包含している請求項15に記載の方法。The method includes the step of blocking the optical data stream such that the optical data stream is blocked when the focused light beam is not being generated and the optical data stream is not blocked when the focused light beam is being generated. 16. The method of claim 15, further comprising selectively generating an illuminated light beam and selectively blocking or not blocking the optical data stream. 前記方法は、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットが前記ビームスプリッタに通ることを選択的にブロックしたり、ブロックしなかったりし、
前記ビームレットをブロックするときに、前記光学データストリームを選択的にモニタすることをさらに包含する請求項15に記載の方法。
The method comprises:
Selectively blocking or not blocking the beamlets emanating from the phase patterning optics from passing through the beam splitter;
The method of claim 15, further comprising selectively monitoring the optical data stream when blocking the beamlets.
少なくとも2つの光トラップを生成する装置であって、
集光された光ビームを受け取り、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、
前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子内に変換された仮想レンズと、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを導いてフォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前記単一のトランスファーレンズと、
前記トランスファーレンズから発する各ビームレットを収束させて前記光トラップを形成する前記フォーカスレンズと、
前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる、前記位相パターニング光学素子と前記フォーカスレンズとの間の単一のトランスファーレンズと
を備えている装置。
An apparatus for generating at least two optical traps, comprising:
Phase patterning optics for receiving the focused light beam and diffracting it into at least two beamlets each having a phase profile;
A virtual lens transformed into the phase patterning optic, converging each beamlet emanating from the phase patterning optic at a location between the phase patterning optic and a single transfer lens;
A single transfer lens that guides the beamlets emanating from the phase patterning optics and overlaps the beamlets at an opening behind a focus lens;
The focus lens that forms the optical trap by converging each beamlet emitted from the transfer lens,
Apparatus comprising a single transfer lens between the phase patterning optics and the focus lens, wherein the beamlets overlap at an opening behind the focus lens.
前記単一のトランスファーレンズは可動である請求項34に記載の装置。35. The apparatus according to claim 34, wherein said single transfer lens is movable. 前記位相パターニング光学素子は静的な表面を有している請求項34に記載の装置。35. The apparatus of claim 34, wherein said phase patterning optic has a static surface. 前記静的な表面は、前記静的な表面の異なる部分を前記光ビームを受けるように並べるために再配置可能である請求項36に記載の装置。37. The apparatus of claim 36, wherein the static surface is repositionable to align different portions of the static surface to receive the light beam. 前記静的な表面は2つ以上の不連続な、不均質の領域からなる請求項37に記載の装置。38. The device of claim 37, wherein the static surface comprises two or more discontinuous, heterogeneous regions. 前記静的な表面は実質的に連続的に変化している請求項37に記載の装置。38. The device of claim 37, wherein the static surface changes substantially continuously. 前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびホログラムからなる群の少なくとも一つから選択されている請求項36に記載の装置。The phase patterning optical element is formed of at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. 37. The device of claim 36, wherein the device is selected. 前記位相パターニング光学素子は動的である請求項34に記載の装置。35. The apparatus of claim 34, wherein the phase patterning optic is dynamic. 前記変換された仮想レンズを選択的に変えることは、それから発するビームレットの数を変化させる請求項41に記載の装置。42. The apparatus of claim 41, wherein selectively changing the transformed virtual lens changes the number of beamlets emanating therefrom. 前記変換された仮想レンズを選択的に変えることは、それから発する前記ビームレットのうちの少なくとも一つの収束位置を変化させる請求項41に記載の装置。42. The apparatus of claim 41, wherein selectively changing the transformed virtual lens changes a convergence position of at least one of the beamlets emanating therefrom. 前記位相パターニング光学素子を選択的に変えることは、それから発する前記ビームレットのうちの少なくとも一つの前記位相プロファイルを変化させる請求項41に記載の装置。42. The apparatus of claim 41, wherein selectively changing the phase patterning optic changes the phase profile of at least one of the beamlets emanating therefrom. 少なくとも2つの光トラップを生成し、モニタする装置であって、
集光された光ビームを受け、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、
前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子において変換された仮想レンズと、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを導いて、ビームスプリッタの表面で重ねる前記単一のトランスファーレンズと、
前記単一のトランスファーレンズから発する前記ビームレットを受け取ってビームレットの2つのストリームを作り出し、その後ビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射する前記ビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから発する各ビームレットを収束させて、少なくとも2つの光トラップを形成する前記フォーカスレンズと
を備えている装置。
An apparatus for generating and monitoring at least two optical traps,
Phase patterning optics for receiving the focused light beam and diffracting it into at least two beamlets each having a phase profile;
A virtual lens transformed at the phase patterning optic, converging each beamlet emanating from the phase patterning optic at a location between the phase patterning optic and a single transfer lens;
A single transfer lens for directing the beamlets emanating from the phase patterning optics and overlapping on the surface of a beam splitter;
Receiving the beamlets emanating from the single transfer lens and creating two streams of beamlets, then reflecting a first stream of beamlets to an aperture behind a focus lens, and a second stream of beamlets; Said beam splitter reflecting to form an optical data stream;
An apparatus comprising: the focus lens for converging each beamlet emitted from the beam splitter to form at least two optical traps.
前記単一のトランスファーレンズは可動である請求項45に記載の装置。46. The apparatus according to claim 45, wherein the single transfer lens is movable. 前記位相パターニング光学素子は静的な表面を有している請求項45に記載の装置。The apparatus of claim 45, wherein the phase patterning optic has a static surface. 前記静的な表面は、前記光ビームを受けるように前記静的な表面の異なる部分を並べるために再配置可能である請求項47に記載の装置。48. The apparatus of claim 47, wherein the static surface is repositionable to line up different portions of the static surface to receive the light beam. 前記静的な表面は、2つ以上の不連続な、不均質の領域からなる請求項48に記載の装置。49. The apparatus of claim 48, wherein said static surface comprises two or more discontinuous, heterogeneous regions. 前記静的な表面は実質的に連続的に変化している請求項48に記載の装置。49. The device of claim 48, wherein said static surface is changing substantially continuously. 前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびホログラムからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項47に記載の装置。The phase patterning optical element is at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. 48. The device of claim 47, wherein the device is selected from one of: 前記位相パターニング光学素子は動的である請求項45に記載の装置。46. The apparatus of claim 45, wherein the phase patterning optic is dynamic. 前記動的な位相パターニング光学素子は選択的に可変であり、それによりそれから発するビームレットの数を変化させることが可能である請求項52に記載の装置。53. The apparatus of claim 52, wherein said dynamic phase patterning optics is selectively variable, so that the number of beamlets emanating therefrom can be varied. 前記動的な位相パターニング光学素子は選択的に可変であり、それによりそれから発する各別個のビームレットの収束位置を変化させることが可能である請求項52に記載の装置。53. The apparatus of claim 52, wherein said dynamic phase patterning optics is selectively variable, so that the convergence position of each individual beamlet emanating therefrom can be varied. 前記動的な位相パターニング光学素子は選択的に変えることが可能であり、それによりそれから発する各別個のビームレットの前記位相プロファイルを変化させることが可能である請求項52に記載の装置。53. The apparatus of claim 52, wherein the dynamic phase patterning optic is selectively changeable, thereby changing the phase profile of each individual beamlet emanating therefrom. 前記位相パターニング光学素子は、コンピュータにより生成された可変回折パターン、可変位相シフト材料、可変液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電子光学偏向器、音響光学変調器、変形可能ミラーおよび反射MEMSアレイからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項52に記載の装置。The phase patterning optical element includes a computer-generated variable diffraction pattern, a variable phase shift material, a variable liquid crystal phase shift array, a micromirror array, a piston mode micromirror array, a spatial light modulator, an electro-optic deflector, an acousto-optic modulator. 53. The apparatus of claim 52, wherein the apparatus is selected from at least one of the group consisting of a vessel, a deformable mirror, and a reflective MEMS array. 前記ビームスプリッタは、静止している全方向ミラー、静止している光バンドギャップミラー、静止しているダイクロイックミラー、可動全方向ミラー、可動光バンドギャップミラー、および可動ダイクロイックミラーからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項45に記載の装置。The beam splitter is a stationary omnidirectional mirror, a stationary optical bandgap mirror, a stationary dichroic mirror, a movable omnidirectional mirror, a movable optical bandgap mirror, and a movable dichroic mirror. 46. The device according to claim 45, wherein the device is selected from at least one. 前記トランスファーレンズの上流に配置されており、前記ビームレットを前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦する可動ミラーをさらに備えている請求項45に記載の装置。And a movable mirror disposed upstream of the transfer lens and for steering the beamlets emitted from the phase patterning optical element as a group before overlapping the beamlets at an opening behind the focus lens. 46. The device of claim 45, wherein 前記可動ミラーと前記フォーカスレンズとの間に望遠鏡レンズシステムをさらに備えている請求項58に記載の装置。The apparatus of claim 58, further comprising a telescope lens system between said movable mirror and said focus lens. 複数の光トラップを生成し、モニタする装置であって、
単一のレーザビームを受け取って、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する動的な回折光学素子と、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記回折光学素子において変換された仮想レンズと、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを導いて、ビームスプリッタの表面で重ねる前記単一のトランスファーレンズと、
前記単一のトランスファーレンズから発する前記ビームレットを受け取ってビームレットの2つのストリームを作り出し、そしてビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射する前記ビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタから発する各ビームレットを収束させて少なくとも2つの光トラップを形成する前記フォーカスレンズと
を備えている装置。
An apparatus for generating and monitoring a plurality of optical traps,
A dynamic diffractive optical element that receives a single laser beam and diffracts it into at least two beamlets, each having a phase profile;
A virtual lens transformed at the diffractive optical element, which focuses the beamlets emanating from the phase patterning optical element at a position between the phase patterning optical element and a single transfer lens;
A single transfer lens for directing the beamlets emanating from the phase patterning optics and overlapping on the surface of a beam splitter;
Receiving the beamlets emanating from the single transfer lens to create two streams of beamlets and reflecting a first stream of beamlets to an aperture behind a focus lens, and a second stream of beamlets; Said beam splitter reflecting to form an optical data stream;
A focusing lens for converging each beamlet emanating from the beam splitter to form at least two optical traps.
微小粒子を操作するための複数の光トラップを生成するシステムであって、
複数の微小粒子と、
集光された光ビームを生成する光源と、
集光された光ビームと、
前記集光された光ビームを受け取って、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、
前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子内に変換された仮想レンズと、
前記位相パターニング光学素子と、各ビームレットが通過するフォーカスレンズとの間に配置された前記単一のトランスファーレンズであって、各ビームレットは前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねられるような単一のトランスファーレンズと、
それぞれが複数の微小粒子のうちの一つを操作することが可能である少なくとも2つの光トラップを形成するように、前記トランスファーレンズから発する各ビームレットを収束させる前記フォーカスレンズと
を備えているシステム。
A system for generating a plurality of optical traps for manipulating microparticles,
A plurality of microparticles,
A light source for producing a focused light beam;
A focused light beam,
Phase patterning optics for receiving the focused light beam and diffracting it into at least two beamlets each having a phase profile;
A virtual lens transformed into the phase patterning optic, converging each beamlet emanating from the phase patterning optic at a location between the phase patterning optic and a single transfer lens;
A single transfer lens disposed between the phase patterning optics and a focus lens through which each beamlet passes, such that each beamlet overlaps at an opening behind the focus lens. One transfer lens,
A focus lens for converging each beamlet emanating from the transfer lens so as to form at least two light traps, each capable of manipulating one of a plurality of microparticles. .
前記単一のトランスファーレンズは可動である請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein said single transfer lens is movable. 前記光トラップは、前記単一のトランスファーレンズの動きに対応して動く請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein the light trap moves in response to movement of the single transfer lens. 前記位相パターニング光学素子は可変光学表面を有している請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein the phase patterning optic has a variable optical surface. 前記位相パターニング光学素子は、静的な表面を有している請求項64に記載のシステム。The system of claim 64, wherein the phase patterning optic has a static surface. 前記静的な表面は、前記集光された光ビームを前記静的な表面の選択された領域に合わせるように移動可能である請求項65に記載のシステム。66. The system of claim 65, wherein the static surface is moveable to match the focused light beam to a selected area of the static surface. 前記静的な表面は2つ以上の不連続な、不均質の領域からなる請求項66に記載のシステム。67. The system of claim 66, wherein the static surface comprises two or more discontinuous, heterogeneous regions. 前記静的な表面は、実質的に連続的に変化している請求項67に記載のシステム。68. The system of claim 67, wherein the static surface is changing substantially continuously. 前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびホログラムからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項67に記載のシステム。The phase patterning optical element is at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. 68. The system of claim 67, wherein the system is selected from one of: 前記位相パターニング光学素子は動的である請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein the phase patterning optic is dynamic. 前記位相パターニング光学素子は、コンピュータで生成された可変回折パターン、可変位相シフト材料、可変液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電子光学偏向器、音響光学変調器、変形可能ミラーおよび反射MEMSアレイからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項70に記載のシステム。The phase patterning optical element includes a computer-generated variable diffraction pattern, a variable phase shift material, a variable liquid crystal phase shift array, a micromirror array, a piston mode micromirror array, a spatial light modulator, an electro-optic deflector, an acousto-optic modulator. 71. The system of claim 70, wherein the system is selected from at least one of the group consisting of a vessel, a deformable mirror, and a reflective MEMS array. 前記位相パターニング光学素子を選択的に変えるためのコンピュータをさらに備えている請求項70に記載のシステム。71. The system of claim 70, further comprising a computer for selectively changing said phase patterning optics. 前記複数の微小粒子の少なくともいくつかは、生物学的な材料である請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein at least some of the plurality of microparticles are biological materials. 前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは、緑のスペクトルの波長を有するレーザビームである請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein the light source is a laser and the focused light beam is a laser beam having a wavelength in the green spectrum. 前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは、約400nmから約1060nmの範囲から選択される波長を有するレーザビームである請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein the light source is a laser and the focused light beam is a laser beam having a wavelength selected from a range from about 400nm to about 1060nm. 前記ビームレットを前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦するための可動ミラーをさらに備えている請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, further comprising a movable mirror to steer the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group before overlapping the beamlets at an opening behind the focus lens. . 前記単一のレンズから下流で前記フォーカスレンズより前に望遠鏡レンズ系をさらに備えている請求項61に記載のシステム。63. The system of claim 61, further comprising a telescope lens system downstream from said single lens and before said focus lens. 光トラップを用いて微小粒子を操作するシステムであって、
複数の微小粒子と、
集光された光ビームを生成する光源と、
集光された光ビームと、
前記集光された光ビームを受け取り、それを、それぞれが位相プロファイルを有する少なくとも2つのビームレットに回折する位相パターニング光学素子と、
前記位相パターニング光学素子から発する各ビームレットを前記位相パターニング光学素子と単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させる、前記位相パターニング光学素子内に変換された仮想レンズと、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを受け取ってビームレットの2つのストリームを作り出し、ビームレットの第一のストリームをフォーカスレンズの後ろの開口部に重ねるように反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射するビームスプリッタと、
前記位相パターニング光学素子と、各ビームレットが通過する前記フォーカスレンズとの間に配置された単一のトランスファーレンズであって、各ビームレットは前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねられるようなトランスファーレンズと、
それぞれが、前記複数の微小粒子のうちの一つを操作することができる少なくとも2つの光トラップと、
前記光学データストリームのモニタと
を備えているシステム。
A system for manipulating microparticles using an optical trap,
A plurality of microparticles,
A light source for producing a focused light beam;
A focused light beam,
Phase patterning optics for receiving the focused light beam and diffracting it into at least two beamlets each having a phase profile;
A virtual lens transformed into the phase patterning optic, converging each beamlet emanating from the phase patterning optic at a location between the phase patterning optic and a single transfer lens;
Receiving the beamlets emanating from the phase patterning optics to create two streams of beamlets, reflecting a first stream of beamlets over an aperture behind a focus lens and a second stream of beamlets. A beam splitter that reflects the stream to form an optical data stream;
A single transfer lens disposed between the phase patterning optics and the focus lens through which each beamlet passes, such that each beamlet overlaps at an opening behind the focus lens. Lens and
At least two light traps, each capable of manipulating one of the plurality of microparticles,
A monitor of the optical data stream.
前記単一のトランスファーレンズは可動である請求項78に記載のシステム。79. The system of claim 78, wherein said single transfer lens is movable. 前記光トラップは、前記単一のトランスファーレンズの動きに対応して動く請求項79に記載のシステム。80. The system of claim 79, wherein the light trap moves in response to movement of the single transfer lens. 前記位相パターニング光学素子は可変光学表面を有している請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein the phase patterning optic has a variable optical surface. 前記位相パターニング光学素子は静的な表面を有している請求項78に記載のシステム。79. The system of claim 78, wherein said phase patterning optic has a static surface. 前記静的な表面は、前記静的な表面の選択された領域に前記集光された光ビームを選択的に合わせるように動かすことができる請求項78に記載のシステム。79. The system of claim 78, wherein the static surface is movable to selectively focus the focused light beam on a selected area of the static surface. 前記静的な表面は不連続な、不均質の領域からなる請求項78に記載のシステム。79. The system of claim 78, wherein said static surface comprises discontinuous, heterogeneous regions. 前記静的な表面は実質的に連続的に変化している請求項78に記載のシステム。79. The system of claim 78, wherein said static surface is changing substantially continuously. 前記位相パターニング光学素子は、格子、回折格子、反射格子、透過格子、ホログラム、ステンシル、光整形ホログラフィックフィルタ、多色ホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板、およびホログラムからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項78に記載のシステム。The phase patterning optical element is at least one of a group consisting of a grating, a diffraction grating, a reflection grating, a transmission grating, a hologram, a stencil, a light shaping holographic filter, a multicolor hologram, a lens, a mirror, a prism, a wave plate, and a hologram. 79. The system of claim 78, wherein the system is selected from one. 前記位相パターニング光学素子は動的である請求項78に記載のシステム。79. The system of claim 78, wherein the phase patterning optic is dynamic. 前記位相パターニング光学素子は、コンピュータで生成された可変回折パターン、可変位相シフト材料、可変液晶位相シフトアレイ、マイクロミラーアレイ、ピストンモードマイクロミラーアレイ、空間光変調器、電子光学偏向器、音響光学変調器、変形可能ミラーおよび反射MEMSアレイからなる群のうちの少なくとも一つから選択されている請求項87に記載のシステム。The phase patterning optical element includes a computer-generated variable diffraction pattern, a variable phase shift material, a variable liquid crystal phase shift array, a micromirror array, a piston mode micromirror array, a spatial light modulator, an electro-optic deflector, an acousto-optic modulator. 88. The system of claim 87, wherein the system is selected from at least one of the group consisting of a vessel, a deformable mirror, and a reflective MEMS array. 前記動的な位相パターニング光学素子を選択的に制御するためのコンピュータをさらに備えている請求項88に記載のシステム。89. The system of claim 88, further comprising a computer for selectively controlling said dynamic phase patterning optics. 前記複数の微小粒子の少なくともいくつかは、生物学的な材料である請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein at least some of the plurality of microparticles are biological materials. 前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは緑のスペクトルの波長を有するレーザビームである請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein the light source is a laser and the focused light beam is a laser beam having a wavelength in the green spectrum. 前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームは、約400nmから約1060nmの範囲から選択された波長を有するレーザビームである請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein the light source is a laser and the focused light beam is a laser beam having a wavelength selected from a range from about 400nm to about 1060nm. 前記フォーカスレンズの後ろの開口部に前記ビームレットを重ねる前に、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦するための可動ミラーをさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising a movable mirror to steer the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group before superimposing the beamlets on an aperture behind the focus lens. . 前記単一のレンズから下流に、かつ前記フォーカスレンズより前に望遠鏡レンズ系をさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising a telescope lens system downstream from said single lens and before said focus lens. 前記モニタは人間のモニタである請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein said monitor is a human monitor. 前記モニタはビデオモニタである請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein said monitor is a video monitor. 前記光学データストリームをデジタルデータストリームに変換する手段をさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising means for converting the optical data stream to a digital data stream. 前記光学データストリームのスペクトルを生成する分光計をさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising a spectrometer that generates a spectrum of the optical data stream. 前記光学データストリームをデジタルデータストリームに変換することによってデジタルデータストリームを受け取るコンピュータをさらに備えている請求項80に記載のシステム。The system of claim 80, further comprising a computer that receives the digital data stream by converting the optical data stream to a digital data stream. 前記光学データストリームを受け取ってデジタルデータストリームに処理し、前記光学データストリームにおける情報に基づいて前記光トラップの少なくとも一つの配置を変化させるコンピュータをさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising a computer that receives and processes the optical data stream into a digital data stream and changes the location of at least one of the optical traps based on information in the optical data stream. 前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、可動ミラーに、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを一つのグループとして操縦させるためのコンピュータをさらに備えている請求項100に記載のシステム。100. The apparatus of claim 100, further comprising a computer for causing a movable mirror to steer the beamlets emanating from the phase patterning optics as a group before overlapping the beamlets at an opening behind the focus lens. The described system. 前記スペクトルを解析するコンピュータと、
前記フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ねる前に、前記可動ミラーに、前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを操縦させるためのコンピュータと
をさら備えている請求項100に記載のシステム。
A computer for analyzing the spectrum,
110. The computer of claim 100, further comprising a computer for manipulating the beamlets emanating from the phase patterning optics on the movable mirror prior to superimposing the beamlets at the opening behind the focus lens. system.
前記光学データストリームの通路内に配置された偏光フィルタあるいはバンドパスフィルタをさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising a polarization filter or a bandpass filter disposed in a path of the optical data stream. 前記集光された光ビームがオンであるときには前記光学データストリームを選択的にブロックし、前記集光された光ビームがオフであるときには前記光学データストリームをブロックしないシャッタをさらに備えている請求項80に記載のシステム。9. The system of claim 8, further comprising a shutter that selectively blocks the optical data stream when the focused light beam is on, and does not block the optical data stream when the focused light beam is off. 80. The system according to 80. 前記光学データストリームがモニタされているときには前記集光された光ビームを選択的にブロックするシャッタをさらに備えている請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, further comprising a shutter that selectively blocks the collected light beam when the optical data stream is being monitored. 集光された光ビームを生成する前記光源はレーザであり、前記集光された光ビームはレーザビームである請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein the light source that produces a focused light beam is a laser, and the focused light beam is a laser beam. 前記光学データストリームがモニタされているときには前記レーザビームを選択的にブロックする第一のシャッタと、
前記レーザビームがオンであるときに前記光学データストリームを選択的にブロックし、前記レーザビームがオフである時に前記光学データストリームをブロックしない第二のシャッタと
をさらに備えている請求項106に記載のシステム。
A first shutter for selectively blocking the laser beam when the optical data stream is being monitored;
107. The system of claim 106, further comprising a second shutter that selectively blocks the optical data stream when the laser beam is on and does not block the optical data stream when the laser beam is off. System.
微小粒子をモニタし、操作する光学システムであって、
集光されたエネルギーの単一のビームの源と、
集光されたエネルギーの単一のビームと、
動的な回折光学素子と、
前記光学素子に前記単一のビームを導くことによって生成される複数の収束されたビームレットと、
フォーカスレンズと、
前記収束されたビームレットの光路に配置されており、ビームレットの2つのストリームを作り出して、ビームレットの第一のストリームを前記フォーカスレンズの後ろの開口部で重ねるように反射し、ビームレットの第二のストリームを光学データストリームを形成するように反射するビームスプリッタと、
前記光学素子と前記ビームスプリッタとの間に配置された、それらのビームレットを前記ビームスプリッタに導く可動単一レンズと、
前記フォーカスレンズを通る前記ビームレットの収束によって形成される少なくとも2つの光トラップと、
前記光学データストリームのためのモニタと
を備えている光学システム。
An optical system for monitoring and manipulating microparticles,
A single beam source of focused energy;
A single beam of focused energy,
A dynamic diffractive optical element,
A plurality of focused beamlets generated by directing the single beam to the optical element;
A focus lens,
Disposed in the beam path of the focused beamlet, creating two streams of beamlets, reflecting the first stream of beamlets in an overlapping manner at an opening behind the focus lens, A beam splitter that reflects the second stream to form an optical data stream;
A movable single lens disposed between the optical element and the beam splitter, for guiding those beamlets to the beam splitter;
At least two light traps formed by convergence of the beamlets through the focus lens;
An optical system comprising a monitor for the optical data stream.
前記集光されたエネルギーの単一のビームの源は、固体レーザ、ダイオード励起レーザ、ガスレーザ、色素レーザ、アレキサンドライトレーザ、自由電子レーザ、VCSELレーザ、ダイオードレーザ、Ti−サファイアレーザ、ドープYAGレーザ、ドープYLFレーザ、ダイオード励起YAGレーザ、フラッシュランプ励起YAGレーザ、発光ダイオードおよび一体化された平行化素子を有する発光ダイオードからなる群から選択されている請求項108に記載の光学システム。Sources of the single beam of focused energy include solid state lasers, diode pumped lasers, gas lasers, dye lasers, alexandrite lasers, free electron lasers, VCSEL lasers, diode lasers, Ti-sapphire lasers, doped YAG lasers, 109. The optical system of claim 108, wherein the optical system is selected from the group consisting of a YLF laser, a diode pumped YAG laser, a flashlamp pumped YAG laser, a light emitting diode and a light emitting diode with an integrated collimating element. 前記集光された光ビームは電磁波エネルギーである請求項109に記載のシステム。110. The system of claim 109, wherein the focused light beam is electromagnetic energy. 前記光トラップは、前記単一レンズの動きに対応して動く請求項109に記載のシステム。110. The system of claim 109, wherein the light trap moves in response to movement of the single lens. 前記光トラップの配置の変化は、前記光学素子における少なくとも一つの変化によってもたらされる請求項109に記載のシステム。110. The system of claim 109, wherein the change in the location of the light trap is caused by at least one change in the optical element. 各光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージからなる群から選択される請求項112に記載のシステム。112. The system of claim 112, wherein each optical trap is selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage. 各光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージからなる群から選択される請求項61に記載のシステム。62. The system of claim 61, wherein each optical trap is selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage. 各光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、および光ケージからなる群から選択される請求項80に記載のシステム。81. The system of claim 80, wherein each optical trap is selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, and optical cage. 複数の可動光トラップを形成する方法であって、
集光された光ビームを発生し、
前記集光された光ビームを位相パターニング光学素子に導いて、前記位相パターニング光学素子から発する複数のビームレットを形成し、各ビームレットは位相プロファイルを有しており、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを前記位相パターニング光学素子で前記位相パターニング光学素子と前記単一のトランスファーレンズとの間の位置で収束させ、
前記位相パターニング光学素子から発する前記ビームレットを、可動ミラーによって前記単一のトランスファーレンズを通過させて、フォーカスレンズの後ろの開口部で前記ビームレットを重ね、
前記フォーカスレンズから発する前記ビームレットを収束させて複数の光トラップを形成する方法。
A method of forming a plurality of movable light traps, comprising:
Generates a focused light beam,
Directing the collected light beam to a phase patterning optical element to form a plurality of beamlets emanating from the phase patterning optical element, each beamlet having a phase profile;
Converging the beamlets emanating from the phase patterning optical element at a position between the phase patterning optical element and the single transfer lens with the phase patterning optical element;
Passing the beamlets emanating from the phase patterning optics through a single transfer lens by means of a movable mirror, overlapping the beamlets at the opening behind the focus lens,
A method of forming a plurality of optical traps by converging the beamlets emitted from the focus lens.
前記方法は、前記ミラーを動かして少なくとも一つの光トラップの配置を変化させることをさらに包含する請求項116に記載の方法。117. The method of claim 116, wherein the method further comprises moving the mirror to change an arrangement of at least one optical trap. 前記光トラップは、光ピンセット、オプティカルボルテックス、オプティカルボトル、オプティカルローテータ、光ケージおよびこれらの組み合わせからなる群から選択される請求項116に記載の方法。The method of claim 116, wherein the optical trap is selected from the group consisting of optical tweezers, optical vortex, optical bottle, optical rotator, optical cage, and combinations thereof. 前記方法は、前記光トラップで生物学的な材料を操作することをさらに包含する請求項116に記載の方法。The method of claim 116, wherein the method further comprises manipulating biological material with the light trap.
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