JP2005055299A - 微粒子計測装置及び計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、微粒子を確実に捕捉するとともに、微粒子の振動状態や位置を高精度に計測できる微粒子計測装置及び計測方法の提供することにある。
【解決手段】 微粒子２に光を照射して微粒子２を捕捉する微粒子トラップ部３と、捕捉した微粒子２の振動及び光軸方向の位置を計測する位置計測部５とを備え、微粒子トラップ部３及び位置計測部５は光源と、光源から射出する光束を微粒子２に集光する対物レンズ７を有し、微粒子２は波長の違いにより光の吸収度が異なる波長選択性を有しており、微粒子トラップ部３の光源は、微粒子２の波長選択性に対して透過率の高い波長であり、位置計測部５の光源は微粒子２の波長選択性に対して反射率の高い波長にした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光を微粒子に照射することで、微粒子の捕捉及び計測を行う微粒子計測装置及び計測方法に関する。

微小物（微粒子）を対象とした捕捉技術としてレーザトラッピング技術がある。かかる技術は、1970年代にAshkinらがレーザ光線によって水中の高分子球を2次元的に捕捉する実験に成功して以来、多くの研究が実施されている。その後、３次元的での捕捉や大きさが波長以下の極微小物の捕捉、空気中での捕捉等も可能となっている。このレーザトラッピング技術を説明すると、微粒子５０が光の波長よりも大きい径を持つ場合、図４に示すように、光aが微粒子５０に入射する時、その界面と垂直方向にFatという光放射圧が生じる。さらに光aが微粒子５０を通り抜ける際、界面でFaoという光放射圧が生じ、この合力はFaで表される。光bにおいても同様に光放射圧Fbが生じる。微粒子５０全体が光から受ける力は、これらの合力のFであり、これにより微粒子５０を捕捉できる。

一方、微粒子が光の波長よりも小さい径を持つ場合は、光は電磁波なので、開口数の大きな対物レンズを通して集光すると、フォーカスの中心に向かって高勾配に増加する電場が生じる。光路中にある物体には電気双極子が誘起され、電場と相互作用するので、物体にはフォーカスの中心に向かう力が働き、微粒子を捕捉できる。

非特許文献１では、YAGレーザをトラップ光として用いてシリカ微粒子（直径7.5μm）を空中で捕捉し、捕捉された微粒子の下方から試料であるアルミ鏡面基板を近づけ、微粒子と試料の距離を変化させた場合に発生する微粒子の光軸方向振動データが定量的に把握されている。その振動周期はトラップ光の半波長とほぼ一致しており、広レンジ（論文中では25μm）まで振動が継続する。尚、振動周期内の微粒子の位置変化を検出すれば、トラップ光の半波長以下の形状計測も可能となる。

澤木大輔、他２名、「レーザ光線による微粒子の操作とその応用に関する研究」、精密工学会春季大会学術講演会講演論文集、１９９９年、ｐ.３０５

しかし、上述の公報に開示の技術では、微粒子の振動計測の方法として、図５に示すように、微粒子５１の上方から光束５７を照射し、その光束５７を対物レンズ５９に入射させ、トラップ用の微粒子（微小球）５１に集光することで微粒子５１をトラップする。そして、微粒子５１の側方からレンズ５５を通してCCDカメラ５３で画像取得し、微粒子の位置変化を検出して試料５６の形状計測を行っている。撮像光学系やそのタイミング等の詳細は触れられていないが、光学的性能と光学レイアウトの共存の観点で微粒子の高精度な位置の検出に最適な方法ではない。

例えば、CCDカメラとして40万画素、1/2inchを想定すると、10倍の対物レンズを使った場合、その視野は460μm×640μmであり、１画素あたりの長さは約1μmに相当する。一方、100倍の対物レンズを使った場合、その視野は46μm×64μmであり、１画素あたりの長さは約0.1μmに相当する。

上述の従来技術で用いられる微粒子の大きさは直径が約8.5μmであり、振動振幅は約0.4〜0.5μmである。広レンジな計測のために、この振幅の振動回数を正確に検出することはもちろんのこと、高精度計測のために、振動周期内の微粒子の位置変化を検出することを考えれば100倍程度の倍率は少なくとも必要と考えられる。

また、微粒子の捕捉用に使用する対物レンズも高倍率が必須となる。しかし、100倍の対物レンズは高NA（開口数）のために作動距離が短く、0.2〜0.5mm程度であり、作動距離を長く設計した対物レンズでも２mm程度となる。通常、対物レンズの鏡筒は直径が30mm程度であり、上述のように微粒子の捕捉用に高NA対物レンズを配した場合、光学レイアウトとして、高倍率（100倍等）の対物レンズを装置の側方には配置し難いという問題がある。したがって、配置できる撮像光学系の倍率は低下し、高精度な計測が難しいという問題がある。

さらに、CCDカメラを固定しているので、微粒子が光軸方向に移動すると、微粒子への照明具合が変化することで、見え方に違いが生じ、位置検出の誤差に繋がることも考えられる。

本発明は上記課題を鑑み、微粒子を確実に捕捉するとともに、微粒子の振動状態や位置を高精度に計測できる微粒子の計測装置及び計測方法の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、微粒子に光を照射して微粒子を捕捉する微粒子トラップ部と、捕捉した微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測する位置計測部とを備え、微粒子トラップ部及び位置計測部は光源と、光源から射出する光束を微粒子に集光する対物レンズを有し、微粒子は波長の違いにより光の吸収度が異なる波長選択性を有しており、微粒子トラップ部の光源は、微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長であり、位置計測部の光源は微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の発明において、位置計測部は、微粒子からの反射光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光した光束を受光する受光素子とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、微粒子表面は、波長の違いにより光の吸収度が異なるダイクロイック膜を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明において、微粒子トラップ部の対物レンズは、位置計測部の対物レンズを兼ねていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１記載の微粒子計測装置を用いた微粒子計測方法において、微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長の光を微粒子に照射して微粒子を捕捉し、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を微粒子に照射し、その反射光を検出することで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項２記載の微粒子計測装置を用いた微粒子計測方法において、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を対物レンズにより微粒子に集束し、その反射光を対物レンズを通して受光素子に導くことで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項３に記載の微粒子計測装置を用いた微粒子計測方法において、ダイクロイック膜に対して反射率の高い波長の光を対物レンズにより微粒子に集束させ、その反射光を対物レンズを通して受光素子に導くことで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項４に記載の微粒子計測装置を用いた微粒子計測方法において、微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長の光を光源から射出し、光源から射出した光束を対物レンズで集光して微粒子を捕捉する一方、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を光源から射出し、微粒子トラップ部の対物レンズを通して光を微粒子に集光し、その反射光を対物レンズを通して受光素子に導くことで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、捕捉する微粒子に波長選択性を付与し、微粒子トラップ部の光源として波長選択性に対応して透過率の高い波長の光源を有することで、微粒子を照射する光量を大きくでき、微粒子の確実な捕捉が可能である。また、位置計測用の光源として波長選択性に対応して反射率の高い波長の光源を有することにより、微粒子から反射する光量を大きくでき、微粒子の振動状態及び光軸方向の位置を高精度に行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、請求項１と同様の効果を奏するとともに、位置計測部には微粒子からの反射光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光した光束を受光する受光素子とを備えたので、微粒子からの反射光を高倍率で計測することができ、微粒子の位置を高感度かつ高精度に検出できる。

請求項３に記載の発明によれば、請求項１又は２に記載の発明と同様の効果を奏するとともに、捕捉する微粒子の表面全面にダイクロイック膜を付与することにより、微粒子の捕捉と微粒子の位置計測に要する光量をそれぞれ最適化（最大化）できる。

請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜３の何れか一項に記載の発明と同様の効果を奏するとともに、位置計測部の対物レンズと微粒子トラップ部の対物レンズとを共用することで、簡易な構成で装置の小型化を図ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、請求項１記載の微粒子計測装置において、微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長の光を微粒子に放射することで、微粒子に対する光放射圧を高くでき、微粒子の確実な捕捉ができる微粒子の計測方法を提供できる。また、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を微粒子に照射することにより、微粒子から反射する光量を大きくでき、微粒子の振動状態及び光軸方向の位置を高精度に行うことができる微粒子の計測方法を提供できる。

請求項６に記載の発明によれば、請求項２記載の微粒子計測装置において、微粒子からの反射光を高倍率で計測することで微粒子の位置を高感度かつ高精度に検出できる微粒子の計測方法を提供できる。

請求項７に記載の発明によれば、請求項３記載の微粒子計測装置において、捕捉する微粒子の表面全面にダイクロイック膜を付与することにより、微粒子の捕捉と微粒子の位置計測に要する光量をそれぞれ最適化（最大化）できる微粒子の計測方法を提供できる。

請求項８に記載の発明によれば、請求項４記載の微粒子計測装置において、位置計測部の対物レンズと微粒子トラップ部の対物レンズとを共用することで、簡易な構成で装置の小型化を図れる微粒子の計測方法を提供できる。

以下に、添付図面を参照して本発明の実施の形態について図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態にかかる微粒子計測装置の構成図であり、図２はダイクロイック膜の特性を示すグラフであり、図３は図１に係る分割型受光素子の分割状態を示す図である。

本発明の実施の形態にかかる微粒子計測装置１は、大気中に浮遊する微粒子（微小球）２を捕捉する微粒子トラップ部３と、微粒子トラップ部３において捕捉した微粒子２の位置等を計測する振動計測部５とから構成されている。また、微粒子計測装置１には形状計測用の試料６が載置できるようになっている。

微粒子トラップ部３は、図示しない光源と、光源から射出される光束を微粒子２に集光する対物レンズ７とを備えている。微粒子２は波長の違いにより光の吸収度が異なる波長選択性を有しており、本実施の形態では微粒子２の表面にダイクロイック膜を付与して、波長選択性を有するようにしている。光源は微粒子２のトラップ光として最もよく使われているＹＡＧレーザ（λ＝1064nm）を使用している。

ダイクロイック膜は波長の違いにより光の吸収度が異なるものであり、図２に示すような特性を有している。図２に示すように、近赤外光域では透過率は高く、ほぼ透過率が100％であり、この領域の光に対しては透過による光放射圧をダイクロイック膜の影響なしに受けることができる。逆に可視光域の波長では、透過率は低く、ほぼ100％の反射率となる。尚、本実施の形態では、微粒子２の表面に波長選択性を有するダイクロイック膜を付与したが、微粒子２そのものの材料として波長選択性を持つものを使用してもよい。

振動計測部５は、上述した微粒子トラップ部３と同様に、図示しない光源と、光源から射出される光束を微粒子２に集光する対物レンズ７とを備えている。対物レンズ７は、微粒子トラップ部３の対物レンズ７との共用となっており、簡易な構成で装置の小型化を図れるようになっている。また、振動計測部５には、光経路に２つのビームスプリッタ９、１０を備えており、光源から出射された光或いは微粒子２から反射した光を所望の位置まで導くようにしている。尚、振動計測部５で使用する光源は、微粒子２の波長選択性に対して反射率の高い波長域の光源を使用する。例えば、光源として赤色等の可視光レーザを使うことが望ましい。

また、振動計測部５は、微粒子２から反射した光を受ける焦点検出光学系１１を備えており、その構成は例えば非点収差検出光学系であり、反射光を集光する集光レンズ１３と集光光束に非点収差をつけるアナモフィックレンズ１５とその集光光束を受光する分割型フォトディテクタ１７から成っている。

図３に示す分割型フォトディテクタ（受光素子）１７は、非点収差検出法における基本的な分割例であるが、本実施の形態で分割型フォトディテクタ１７は、上下左右に４分割されている。すなわち、上右のＡブロック、下右のＢブロック、下左のＣブロック、及び上左のＤブロックに４分割されている。各ブロックにおいて、反射光を受光し、各ブロックにおける受光信号を後述する演算回路等において信号処理がなされる。

分割型フォトディテクタ１７で受光した各光量は、デジタル変換を行うＡＤボード１９を介して演算手段２１にて所定の演算を行い、その結果をもとに位置認識手段２３で微粒子２の現在位置を把握するようになっている。また、振動数累積カウンタ２５で微粒子２の累積振動回数をカウントするようになっている。

次に、本実施の形態にかかる微粒子計測装置１の計測方法及びその作用について説明する。まず、微粒子トラップ部３では、トラップ用光源からトラップ光とする光束を射出し、ビームスプリッタ９を通過させ、その光束を対物レンズ７に入射させ、トラップ用の微粒子に集光することで微粒子２をトラップ（捕捉）する。トラップの原理は前述の通りである。振動計測部５における計測動作としては、計測用の光源から微粒子２の波長選択性に対して反射率の高い波長域の光源を射出する。射出された光は、２つのビームスプリッタ９、１０で偏向しつつ進み、対物レンズ７に入射して微粒子２に集光する。微粒子２からの反射光は、対物レンズ７を通過し、焦点検出光学系１１において受光される。焦点検出光学系１１において受光された光量は、受光信号として演算手段２１にて所定の演算が行なわれ、その結果をもとに位置認識手段２３で微粒子２の位置が把握される。

また、試料６を微粒子２の方向に移動させて、随時位置計測を継続しながら振動数累積カウンタ２５で累積振動回数をカウントする。これにより、累積振動回数と微粒子位置を考慮して、微粒子と試料部６間の距離を計測することで試料６の形状を計測する。

上述のように、微粒子２の波長選択性に対して透過率の高い波長の光を微粒子２に放射することで、微粒子２に対する光放射圧を高くでき、微粒子２の確実な捕捉ができる微粒子２の計測方法を提供できる。また、微粒子２の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を微粒子２に照射することにより、微粒子２から反射する光量を大きくでき、微粒子２の振動状態及び光軸方向の位置を高精度に行うことができ、試料６の形状を詳細に計測できる。

本発明は、上述した実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形可能である。

例えば、反射光の焦点検出法として非点収差検出法を用いたが、焦点検出方法はこの非点収差検出方法以外にも、ビームサイズ法、ナイフエッジ法であっても良い。

分割型フォトディテクタ（受光素子）１７は、上下左右に４分割としたが２分割であっても良い。

本発明の実施の形態にかかる微粒子計測装置の構成図である。 ダイクロイック膜の特性を示すグラフである。 図１に係る分割型受光素子の分割状態を示す図である。 微粒子における光放射圧の原理を示す図である。 従来例における微粒子測定装置の概略図である。

符号の説明

１ 微粒子計測装置
２ 微粒子
３ 微粒子トラップ部
５ 振動計測部
７ 対物レンズ
１３ 集光レンズ
１７ 分割型フォトディテクタ（受光素子）

Claims (8)

1. 微粒子に光を照射して微粒子を捕捉する微粒子トラップ部と、捕捉した微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測する位置計測部とを備え、微粒子トラップ部及び位置計測部は光源と、光源から射出する光束を微粒子に集光する対物レンズを有し、微粒子は波長の違いにより光の吸収度が異なる波長選択性を有しており、微粒子トラップ部の光源は微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長であり、位置計測部の光源は微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長であることを特徴とする微粒子計測装置。
2. 位置計測部は、微粒子からの反射光を集光する集光レンズと、集光レンズで集光した光束を受光する受光素子とを備えたことを特徴とする請求項１記載の微粒子計測装置。
3. 微粒子表面は、波長の違いにより光の吸収度が異なるダイクロイック膜を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒子計測装置。
4. 微粒子トラップ部の対物レンズは、位置計測部の対物レンズを兼ねていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の微粒子計測装置。
5. 請求項１記載の微粒子計測装置において、微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長の光を微粒子に照射して微粒子を捕捉し、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を微粒子に照射し、その反射光を検出することで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする微粒子計測方法。
6. 請求項２記載の微粒子計測装置において、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を対物レンズにより微粒子に集束し、その反射光を対物レンズを通して受光素子に導くことで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする微粒子計測方法。
7. 請求項３に記載の微粒子計測装置において、ダイクロイック膜に対して反射率の高い波長の光を対物レンズにより微粒子に集束させ、その反射光を対物レンズを通して受光素子に導くことで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする微粒子計測方法。
8. 請求項４に記載の微粒子計測装置において、微粒子の波長選択性に対して透過率の高い波長の光を光源から射出し、光源から射出した光束を対物レンズで集光して微粒子を捕捉する一方、微粒子の波長選択性に対して反射率の高い波長の光を光源から射出し、微粒子トラップ部の対物レンズを通して光を微粒子に集光し、その反射光を対物レンズを通して受光素子に導くことで微粒子の振動及び光軸方向の位置を計測することを特徴とする微粒子計測方法。
   
   

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