JP2005528194A - 複数の微小粒子をマニピュレートする光トラップを生成し制御する為の装置、および方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】
本発明は、一般的には、複数の微小粒子をマニピュレーションするための、複数の光トラップ（１０００、１００２）を生成し制御する為の装置および方法に関する。１つの入力レーザビーム（１２、２２）についての上流での修正によって強度について正方形断面、或いは、選択された他の断面を有する１つのビームが提供され、このビームは、対応する断面の強度を持った複数の光トラップ（１０００、１００２）を形成する為に用いられることが可能である。

Description

本出願の全体に渡って、さまざまな刊行物が参照される。これらの刊行物の開示内容は、全体として、本発明が関する現状技術をより十分に記載する目的で、参照することにより本願に援用される。

本発明は、一般に、複数の光トラップに関する。特に本発明は、複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光トラップを形成する為に光の勾配力を適用した１つの装置、システム、および方法に関する。

１つの光ピンセットとは、周囲の媒質より高い比誘電率を有する複数の粒子をマニピュレートする為に、集束した光ビームの勾配力を利用する１つの光ツールである。エネルギーを最小にする為に、そのような複数の粒子は、電界が最も強い場所へ移動しようとする。運動量に関して述べると、集束した光ビームは光圧を生成し、１つの粒子の傍で、光の吸収や、反射や、回折や、屈折による複数の微小な力を生み出す。光圧によって生成される力は非常に微小であり、例えば１０ｍＷで動作するダイオードでポンピングされた１つのＮｄ：ＹＡＧレーザ光源では、わずかに数ピコニュートンの力を生じるのみである。しかしながら、数ピコニュートンの力は、複数の微小粒子をマニピュレートするのには十分である。

微小粒子をマニピュレートする為に使用することができる他の複数の光ツールは、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、および複数の光ケージを含むが、これらに限定されるわけではない。１つの光渦（ｏｐｔｉｃａｌ ｖｏｒｔｅｘ）は、使用については１つの光ピンセットと同様であるが、異なる１つの原理で動作する。

１つの光渦は、ゼロ電界の１つの領域を囲う１つの勾配を生成し、このゼロ電界の領域は、周囲の媒質よりも低い複数の比誘電率を有しているか、又は、反射しやすい複数の粒子をマニピュレートするのに役立ち、或いは、１つの光ピンセットでは反発されてしまう別の型の複数の粒子をマニピュレートするのに役立つ。エネルギーを最小にする為に、そのような粒子は、電界が最も弱い場所、即ち、適切に成形された１つのレーザビームの焦点におけるゼロ電界領域へと移動しようとする。

光渦は、１つのドーナツ（トロイド）の穴とよく似た、１つのゼロ電界領域を備える。光学的勾配は放射状であり、ドーナツの円周部で最も強い電界を有する。光渦は、ドーナツの穴の範囲内に１つの微小粒子を拘束する。この拘束は、ゼロ電界の線に沿って微小粒子を超えて、渦を滑らせることで達成される。

オプティカル・ボトルは、１つのゼロ電界を焦点のみにおいて有し、かつ渦の一端において１つの非ゼロ電界領域を有するという点で、１つの光渦とは異なる。１つのオプティカル・ボトルは、１つの光渦や複数の光ピンセットでトラップするには余りに小さすぎるか、或いは吸収性がありすぎる複数の原子や複数のナノクラスターをトラップするのに役立つ。（非特許文献１）。

光回転子は、複数の対象物をトラップする複数のスパイラル・アームの１つのパターンを提供する。このパターンを変えることで、トラップされた複数の対象物を回転させる。（非特許文献２）。このクラスのツールは、複数の非球状粒子をマニピュレートし、そして、ＭＥＭＳ装置やナノマシーンを駆動するのに役立ってもよい。

光ケージ（ニール、特許文献１）は、概略的には、巨視的な光渦の一種である。１つの光ケージは、周囲の媒質よりも低い複数の比誘電率によりトラップされるには大き過ぎるか、或いは反射しすぎる１つの粒子を囲む為に、複数の光ピンセットから成る時間平均された１つのリングを形成する。光渦が１つのドーナツと似ているならば、光ケージは、ゼリーで満たされた１つのドーナツと似ている。（渦の為の）ドーナツの穴がゼロ電界領域であるのに対し、ゼリーで満たされた部分は、電界が弱められた１つの領域である。全体的に述べると、ドーナツを形成する複数の光ピンセットにおける複数の勾配力は、周囲の媒体よりも低い１つの比誘電率を有する１つの粒子を、複数の光ピンセットの間に位置する、より暗い領域として認識されてもよいゼリーで満たされた部分に向けて、「押す」。しかしながら、１つの渦とは異なり、非ゼロ電界領域が作り出される。１つの光渦は、使用の点で１つの光ピンセットと同様であるが、正反対の１つの原理で動作する。

複数の光トラップからなる１つのアレイを形成する為に、集光された複数の回折レーザビームを形成する１つの回折光学部材と共に単一のレーザ光ビームを使用することは、従来技術において周知である。グリアーおよびデュフレーヌに対して特許査定された特許文献２では、複数の光トラップからなる複数のアレイについて述べている。グリアーおよびデュフレーヌの特許は、入力光ビームを回折させると共に、複数の可動光トラップからなる１つのアレイを生成する為に、１つの動的な光学部材および１つの集光レンズの使用を教示する。複数の光トラップからなるアレイは、後方開口部のビーム直径において、１つの適当な形を有することによって、単一の入力ビームから形成される。具体的には、ガウス分布を持つＴＥＭ_００の１つの入力レーザビームは、後方開口部の直径と略一致するビーム直径をもっていなければならない。
米国特許第５９３９７１６号明細書 米国特許第６０５５１０６号明細書 Ｊ・アールトおよびＭＪ・パジェット「高強度領域に囲まれた、暗い焦点を有するビーム生成：オプティカル・ボトル・ビーム」光学会報２５、１９１‐１９３、２０００年。 Ｌ・パターソン、ＭＰ・マクドナルド、Ｊ・アールト、Ｗ・シベット、Ｐ．Ｅ．ブライアント、そして、Ｋ・ドラキア「光学的に閉じ込められた微小粒子の回転制御」サイエンス２９２、９１２‐９１４、２００１年

ガウス分布を持つ型ＴＥＭ_００１つの入力レーザビームが、後方開口部の直径と略一致するビーム直径を有するという１つの限定は、１つの断面図（図１）に示されているように、ガウス分布を持つ型ＴＥＭ_００の１つのビームが、その外縁においては、非常に弱い強度を有しているということである。その結果として生じる複数の光トラップは、同じ形の１つの強度断面を有することとなる。

従って、１つの入力ビームによって後方開口部を満たさせ、その外縁でより大きな強度を持つ複数の光トラップを生成させるという必要性が存在する。本発明はこれらの必要性およびその他の必要性を満足し、更に関連する複数の利点を提供する。

本発明は、複数の光トラップからなる１つのアレイを生成し、そして制御する為に、複数の勾配力を用いた斬新な方法、およびシステムを提供する。

本発明は、複数の光トラップからなる１つのアレイを生成し、モニタリングし、そして制御する為に、１つの斬新で改良された方法、１つのシステム、および１つの装置を提供する。複数の光トラップは、個別に、或いは一斉に、複数の微小粒子をマニピュレートすることができる。

本発明では、光、又はエネルギーの入力ビームにおける位相プロファイルを形成する為に１つの第１の位相パターニング光学部材を採用しており、これらの光やエネルギーは、入力光ビームを順番に複数のビームへと回折する１つの第２の位相パターニング光学部材の上流からもたらされる。

上流の位相パターニング光学部材を用いて入力光ビームの位相をパターン化することにより、パターン化された入力光ビームの断面は、その外縁の近傍であっても、１つの実質的に平坦な強度（図２）を有するように選択されることが可能となる。パターン化された入力光ビームにおける実質的に平坦な強度は、それぞれのビームレットへと伝達されることが可能となる。これにより、第２の位相パターニング光学部材から生成された複数のビームは、１つの集光レンズの後方開口部と一致した１つのビーム幅を有すると共に、パターン化されていない複数の入力光ビームから生成され、その外縁においてより弱い強度を有する複数の光トラップに比べて、光トラップの外縁においてより強い強度を有する複数の光トラップを生成する。

所与の１つの光トラップの位置を変化させる為に、そのトラップを形成するビームは、第２の位相パターニング光学部材のみによって１つの新しい位置へと案内され、これにより、その結果として生じる光トラップの位置を変えることができる。

他の複数の実施形態において、第１および第２の位相パターニング光学部材は、所与の１つの光トラップの位置を変えるために共に動作してもよく、トラップを形成するビームを案内することで、これにより光トラップの位置を変化させる。

光のアレイを選択的に生成し制御することは、例えば、光回路の設計や製造、ナノ複合材料の構成、電子部品の組立、オプトエレクトロニクス、化学的および生物的なセンサーの複数の配列、複数のホログラフィックデータストレージマトリックスの組立、回転用モータ、中規模の、或いはナノスケールのポンピング、ＭＥＭＳを駆動する為のエネルギー源や光モータ、組合せ化学の簡易化、コロイドにおける自己集合の促進、生物物質のマニピュレーション、生物物質の探索、選択された生物物質の濃縮、生物物質の性質の調査、および生物物質の試験等、様々な市販アプリケーションで役立ってよい。

光トラップアレイの活動は、光経路の中に１つのビームスプリッタを配置することにより、１つの光データストリーム（図５）を介して観察されてよい。非回折光や、散乱光や、反射光の通過を光データストリームの経路に沿って制限するために１つのフィルタを導入することで表示を強める事ができ、これにより、光データシステムにおけるビデオやその他のモニタリングを乱す可能性のあるノイズを低減することができる。

本発明のその他の複数の特徴や複数の利点は、後に続く記載の中で部分的に説明され、添付された図面は、本発明に係る好ましい実施形態が記述および図示されており、それは部分的に記述され図示されている場合もあるが、後に続く詳細な説明を添付図面と関連づけながら精査することで、当業者にとって明らかとなり、或いは、本発明を実施することで理解されてもよい。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲によって特に指摘された複数の手段や複数の組合せによって、理解され達成されてよい。

以下の記載では便宜と参照の目的で所定の用語が使用されるが、これらは１つの限定を意図するものではなく、複数の簡単な定義が以下に示される。

Ａ．「ビームレット」とは、光を集束させたビームを導くことによって生成された集束光における１つのサブビーム、或いは、その他のエネルギー源を導くことによって生成されたその他のエネルギー源の１つのサブビームであって、例えば１つのレーザや、１つの発光ダイオードからの平行化された１つの出力が、２以上のサブビームへと回折させる媒質を通ることにより生成される。１つのビームレットの１例は、格子で回析されるより高次の１つのレーザビームである。

Ｂ．「位相プロファイル」とは、１つのビームの１つの断面における、光やその他のエネルギー源の位相である。

Ｃ．「位相パターニング」とは、１つの光の集束ビームや、他のエネルギー源や、ビームレットにパターン化された１つの位相シフトを与えることであって、位相プロファイルを変化させることを含んでおり、例えば、１つの光の集束ビームや、その他のエネルギー源や、１つのビームレットに対する位相変調、モード形成、スプリッティング、集光、分岐、成形、或いは操作を含むが、これらに限定されない。

複数の可動光トラップを形成する本発明の装置の好ましい実施形態（通常は１０で示される）を図１に示す。複数の光トラップからなる１つの可動アレイは、例えば電磁波エネルギー等のエネルギーから１つの集束ビームを生成することで形成される。好ましい複数の実施形態においては、複数の電磁波は複数の光波であり、好ましくは約４００ｎｍから１０６０ｎｍの波長を有しており、より好ましくは、緑色のスペクトルの波長を有する。ビームは、図１で示されるように、例えば１つのレーザビーム１２からの平行化されたガウス分布を持つビームのように、１つの平行化された光から形成される。

レーザビーム１２は、第２の位相パターニング光学部材１４の上流に位置し、集束レンズ２０における後方開口部１８における平坦表面１７と共役対を成す１つの平面１５内の１つの第１の位相パターニング光学部材１３の領域“Ａ”を貫通するように指向される。集束レンズ２０の好ましい実施形態は、１つの対物レンズである。レーザビーム１２の位相プロファイルは、１つの修正されたレーザビーム２２を形成する為に第１の位相パンターニング光学部材１４によってパターン化され、そして第２の位相パターニング光学部材１４に導かれる。第２の位相パターニング光学部材１４は、反射可能な１つの可変表面媒体２４を有しており、その領域“Ｂ”を修正レーザビーム２２が通過し、当該領域は、後方開口部１８における平坦表面１７に実質的に対向して配置される。

複数のビームレット２６および２８は、修正レーザビーム２２が、第２の位相パターニング光学部材を通過するにつれて形成される。ビームレット２６及び２８の位相プロファイルのそれぞれは、複数のビームレット２６および２８が形成されるにつれて選択される。すると、複数のビームレットは、後方開口部１８における領域“Ｃ”を通過し、そして、ベッセル２００１の作業焦点領域２０００における、複数の光トラップ１０００および１００２を形成する為に、集束レンズ２０によって集光される。ベッセル２００１は、実質的に透過する材料で構成され、この透過材料は、複数のビームレットの通過を許容すると共に、複数の光トラップの形成には干渉しない。

また、第２の位相パターニング光学部材は、複数のビームレットを集光する為に、集束レンズ２０と連携して機能してよい。複数のビームレットのビーム直径ｗは、後方開口部１８の直径と略一致する。第２の位相パターニング光学部材における可変表面媒体２４を変化させることにより、各ビームレットにおける位相プロファイルを選択的にパターン化する。

作業焦点領域２０００は、複数の光トラップ１０００および１００２によって試験・測定・マニピュレートされるべき複数の粒子やその他の材料を含んだ１つの媒体が配置される領域である。

明確にする為に、２つの光トラップ１０００および１００２のみが図示されているが、第２の位相パターニング光学部材１４によって、このような複数の光トラップからなる１つのアレイを作り出すことができることが理解されるべきである。

レーザビーム１２の光源としては、任意の適切なレーザを使用してもよい。有効なレーザとしては、複数の固体レーザ、複数のダイオードポンプレーザ、複数のガスレーザ、複数の色素レーザ、複数のアレキサンドライトレーザ、複数の自由電子レーザ、複数のＶＣＡＥＬレーザ、複数のダイオードレーザ、複数のＴｉ−サファイアレーザ、複数のドープ型ＹＡＧレーザ、複数のドープ型ＹＬＦレーザ、複数のダイオードポンプＹＡＧレーザ、複数のフラッシュランプポンプＹＡＧレーザを含む。１０ｍＷから５Ｗの間で動作する複数のダイオードポンプＮｄ：ＹＡＧレーザが好ましい。

上流の、或いは第１の位相パターニング光学部材は、レーザビーム１２の波面に、少なくとも正方形断面（図２参照）を与える為に使用され、その結果として、実質的に一様な強度を有する１つの正方形断面を備えた１つの修正レーザビーム２２となる。従って、修正レーザビームのビーム直径ｗが後方開口部１８の直径と略一致した場合、修正レーザビーム２２の外縁はより強い強度を有し、この場合、入力ビーム１２の外縁、および対応する複数の光トラップ１０００および１００２は、それらの外縁において、対応する１つの強度を持つ。また、第１の位相パターニング光学部材は、本システムのパラメータに従って、複数の異なる選択され波面を与えてもよく、この場合、外縁において最も強度が強い１つの波面を有してよい。

図３〜６に示した複数の実施形態において、各光トラップ１０００および１００２の種類、順序、および位置は、各ビームレットの位相プロファイルをパターン化するために使用される第２の位相パターニング光学部材１４の可変表面媒体２４で符号化されるホログラムによって選択的に制御されてよい。各トラップの運動が、定位置での回転であるか非定位置での回転であるか、２次元か３次元か、連続であるか段階的であるか、を選択的に制御可能であることは、本発明における１つの重要な特徴である。本実施形態におけるこの制御は、少なくとも第２の位相パターニング光学部材１４の表面媒体２４で形成されるホログラムを変化させることで達成される。

更に、望ましい光トラップの型に従って、第２の位相パターニング光学部材１６によってパターン化された位相は、複数の光ピンセット、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、複数の光ケージおよび異なるクラスの複数の組み合わせを含んだ、異なる光トラップのクラスを形成する為に、波面形成、位相シフト、操作、分岐、および集光を含んでよい。

複数の適切な位相パターニング光学部材は、透過部材、或いは反射部材として特徴づけられ、これは、それらがどのようにして光の集束ビームを導くかに依存する。図３、４、および５に示すように、透過型の位相パターニング光学部材は、レーザビーム１２が通過することを許容し、或いは、図４の場合では、レーザビーム１２および修正レーザビーム２２が通過することを許容する。図３および５に示すように、反射型の位相パターニング光学部材は、修正レーザビーム２２を反射する。複数の図の中で、透過型の部材として図示されてはいるが、上流の、或いは第１の位相パターニング光学部材は、本発明の範囲から逸脱しない範囲内で、反射型に換えてよい。

２つの一般的なグループの範囲内において、１つの位相パターニング光学部材は、静的な媒質、又は動的な媒質から形成されてよい。複数の静的な位相パターニング光学部材の複数の適切な実施例では、固定された１つの表面を有する複数の回折光学部材を有しており、これは、例えば複数の格子であって、複数の回折格子、複数の反射格子、複数の透過格子、複数のホログラム、複数のステンシル、複数の光形成ホログラムフィルタ、複数のポリクロマティックホログラム、複数のレンズ、複数の鏡、複数のプリズム、複数の波長板、およびこれらと同等のものを含む。

静的な位相パターニング光学部材は、複数の異なる領域を有してよく、各領域は、複数のビームレットに、１つの異なる位相プロファイルを与えるように構成される。このような複数の実施形態においては、静的な位相パターニング光学部材の表面は、複数のビームレットに与えられた所望の複数の特性を変化させる為の、つまりは、結果として生じる複数のビームレットの少なくとも１つにおける望ましい位相プロファイルを変化させる為の適切な領域を選択する為に、レーザビームに対してその表面を相対的に動かすことで変化させることが可能である。

その機能が時間に依存するという側面を備える複数の動的な位相パターニング光学部材についての適切な複数の実施例では、コンピュータ生成された複数の可変回折パターン、複数の可変位相シフト材料、複数の可変液晶位相シフトアレイ、複数のマイクロミラーアレイ、複数のピストンモード・マイクロミラーアレイ、複数の空間光変調器、複数の電気光学偏向器、複数の音響光学変調器、複数の変形ミラー、および複数の反射型ＭＥＭＳアレイ、およびこれらの類似物を含む。１つの動的な位相パターニング光学部材において、その表面の複数の特徴は、先に述べたように１つのホログラムを形成する為に符号化されてよく、そして、そのホログラムの中で１つの変化を生じさせる為に、例えば１つのコンピュータによって変化させられてよく、これにより、複数のビームレットの個数や、少なくとも１つのビームレットの位相プロファイルや、少なくとも１つのビームレットの位置に影響を与えることができる。

好ましい複数の動的な位相パターニング光学部材は、例えば日本の浜松ホトニクス社によって製造された「ＰＡＬ−ＳＬＭシリーズＸ７６６５」や、コロラド州ラファイエットのボールダー・ノンリニア・システムズ社により製造された「ＳＬＭ５１２ ＳＡ７」および「ＳＬＭ５１２ ＳＡ１５」等の、位相のみを変調する複数の空間光変調器を含む。これらの符号化が可能な複数の位相パターン光学部材は、コンピュータで制御可能であって、かつ多機能であり、その結果、修正レーザビーム１５を回折することで、複数のビームレット２６および２８を生成することができ、そして、所望の位相プロファイル（特性）を、結果として生じる複数のビームレットへ与えることができる。

図４に示された実施形態に着目すると、制御可能な複数の光トラップ４２および４４は、レーザビーム１２を第１の位相パターニング光学部材１３の領域“Ａ”を通過させることで形成され、この光学部材は、後方開口部１８の平坦表面１７に対向して、平面４６に実質的に配置され、この第１の位相パターン光学部材を通して修正レーザビーム２２を形成する為にレーザビーム１２の位相プロファイルがパターン化され、第２の位相パターニング光学部材４８に導かれる。

第２の位相パターニング光学部材４８は、その領域“Ｂ”において修正レーザビーム２２が通過するべき１つの透過型の可変表面媒体５０を有しており、この領域は、後方開口部１８における平坦表面１７に実質的に対向して配置される。修正レーザビーム２２が第２の位相パターニング光学部材４８を通過する場合に、複数のビームレット５２および５４が形成される。複数のビームレットが形成される場合に、複数のビームレット５２および５４の各位相プロファイルが選択される。この場合、複数のビームレットは、後方開口部１８の領域“Ｃ”を通過し、そして、作業焦点領域２０００において複数の光トラップ４２および４４を形成する為に、集束レンズ２０によって集光される。修正レーザビーム２２のビーム直径ｗは、後方開口部１８の直径と略一致する。第２の位相パターニング光学部材における可変表面媒体５０を変化させることで、各ビームレットの位相プロファイルを選択的にパターン化する。

明確にするため、２つの光トラップ４２および４４のみが図示されているが、第２の位相パターニング光学部材４８によって、このような複数の光トラップからなる１つのアレイを作り出すことができることが、理解されるべきである。

図５に示す実施形態は、ある場合においては、複数の付加的な伝達光学部材を使用し、ビームレットのミスアラインメントを最小化することができる。複数の伝達光学部材は、複数のビームレット６２および６４が、反射型の第２の位相パターニング光学部材から離れて生成された場合、或いは、集束レンズの後方で光トラップ６６および６８の活動の観察を許容する１つのデータストリームが望まれる場合に、特に役立ってよい。

従来の１つのテレスコープシステム７０は、第２位相パターニング光学部材１４と１つのビームスプリッタ７２との間に配置される。ビームスプリッタ７２は、１つのダイクロイックミラー、１つのフォトニックバンドギャップミラー、１つの全方位ミラー、或いは他の類似のデバイスから作成される。ビームスプリッタ７２は、複数の光トラップ（ビームレット６２および６４）を形成する為に使用される光の波長を反射し、そして、例えば集束レンズ２０の上の照明源７６によって提供される画像照明７４等の、他の複数の波長を透過する。ビームスプリッタ７２から反射された光の一部は、これは複数の光トラップを形成する為に使用されるのであるが、この場合、集束レンズ２０の後方開口部１８の領域“Ｃ”を通過させられる。

画像照明７４は、集束レンズの光学軸に沿って作業領域２００を通過し、１つの光トラップによって含まれる１つの微小粒子の配置および位置に由来する１以上のビームレットの位相プロファイルおよび位置に相当する１つの光データストリーム７８を形成する。

例えば１つの偏光部材や１つのバンドパス部材である１つの光フィルタ部材８０は、光データストリームの軸に沿って通過する反射レーザ光、散乱レーザ光、或いは非回折レーザ光の総量を減少させる為に、光データストリーム７８の経路の範囲内に配置される。フィルタ部材８０は、予め選択された一つ以上の波長を除外し、ある幾つかの実施形態においては、光データストリーム７８において予め選択された１つの波長以外の全ての波長を除外する。

すると、光データストリーム７８は、オペレータの目視、分光器、および／又は、ビデオモニタリングによって表示され、１つのビデオ信号へと変換され、監視され、或いは分析されることが可能となる。また光データストリーム７８は、強度を監視する為に１つの光検出器によって処理されてもよく、或いは、光データストリームを１つのコンピュータの使用に適合した１つのデジタルデータストリームへと変換する任意の適切なデバイスによって処理されてもよい。

複数の微小粒子を閉じ込める為に、一人のオペレータおよび／またはコンピュータは、選択された１つの微小粒子を獲得してその粒子をトラップする為に、光トラップのそれぞれの運動を導くように第２位相パターニング部材１４を調整する。含有される複数の微小粒子を有する複数の光トラップがその後構成および再構成される。光データストリームを用いることで、１つ以上のトラップされた微小粒子の位置と種類は、ビデオカメラ、スペクトル、或いは１つの光データストリームを介して監視されることが可能となり、これによって、複数のプローブの選択をコンピュータ制御する事と、複数の光トラップによって含まれる複数の微小粒子の型を調整するのに役立つ複数の光トラップに関する情報を生成する事とが可能になる。位相パターニング光部材を符号化することで生じるそれぞれの光トラップの予め定められた運動に基づいて、その運動を追跡することができる。更には、１つのコンピュータは、それぞれの光トラップに含まれる各プローブの記録を維持する為に使用されてよい。

本発明の他の複数の特徴や複数の利点は、後に続く記載の中で部分的に説明され、添付された図面は、本発明に係る好ましい実施形態が記述され図示されており、それは部分的に記述され図示されている場合もあるが、後に続く詳細な説明を添付図面と関連づけながら精査することで当業者にとって明らかとなり、或いは本発明を実施することで理解されてもよい。本発明の利点は、添付の特許請求の範囲によって特に指摘された複数の手段や複数の組合せによって、理解および達成されてよい。

修正されていないガウス分布を持ったビームの１つの断面の強度のグラフである。 １つの正方形断面を有する、修正されたガウス分布を持った１つのビームの強度のグラフである。 複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光トラップを生成する為のシステムの好ましい１実施形態を示した図である。 複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光トラップを生成する為のシステムにおける、相互透過型の１実施形態を示した図である。 複数の伝達レンズで複数の微小粒子をマニピュレートする複数の光とラップを生成する為のシステムの１実施形態を示した図である。

Claims (60)

1. 複数の光トラップを形成することにより複数の微小粒子をトラップする為の装置であって、
   １つのレーザビームを受け取り、前記レーザビームの波面に、選択された１つの断面を与える１つの第１の位相パターニング光学部材と、
   １つのレーザビームを受け取り、少なくとも２つのビームレットを形成する、前記第１の位相パターニング光学部材から下流にある１つの第２の位相パターニング光学部材と、
   前記第２の位相パターニング光学部材から下流に配置され、１つの前方開口部および１つの後方開口部を備えた１つの集束レンズと
   を備え、
   前記集束レンズと連携した前記第２の位相パターニング光学部材が、複数のビームレットを個別に収束させ、そして複数の微小粒子をマニピュレート可能な複数の光トラップを形成する為に勾配条件を設定することができる装置。
2. 前記第１の位相パターニング光学部材が、透過する部材および反射する部材より成るグループから選択される請求項１に記載の装置。
3. 前記第２の位相パターニング光学部材が、静的な部材および動的な部材より成るグループから選択される請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の位相パターニング光学部材が、複数の格子、複数の回折格子、複数の反射型格子、複数の透過型格子、複数のホログラム、複数のステンシル、複数の光形成用のホログラフィックフィルタ、複数のポリクロマティックホログラム、複数のレンズ、複数の鏡、複数のプリズム、および複数の波長板より成るグループから選択される請求項３に記載の装置。
5. 前記第１の位相パターニング光学部材が、コンピュータ生成された複数の可変回折パターン、複数の可変位相シフト材料、複数の可変液晶位相シフトアレイ、複数のマイクロミラーアレイ、複数のピストンモード・マイクロミラーアレイ、複数の空間光変調器、複数の電気光学偏向器、複数の音響光学変調器、複数の変形ミラー、および複数の反射型ＭＥＭＳアレイより成るグループから選択される請求項３に記載の装置。
6. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材が、透過する部材および反射する部材より成るグループから選択される請求項１に記載の装置。
7. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材が、静的な部材および動的な部材より成るグループから選択される請求項１に記載の装置。
8. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材の少なくとも１つが、複数の格子、複数の回折格子、複数の反射型格子、複数の透過型格子、複数のホログラム、複数のステンシル、複数の光形成ホログラフィックフィルタ、複数のポリクロマティックホログラム、複数の鏡、複数のプリズム、および複数の波長板より成るグループから選択される請求項７に記載の装置。
9. 少なくとも１つの第１の位相パターニング光学部材が、コンピュータ生成された複数の可変回折パターン、複数の可変位相シフト材料、複数の可変液晶位相シフトアレイ、複数のマイクロミラーアレイ、複数のピストンモード・マイクロミラーアレイ、複数の空間光変調器、複数の電気光学偏向器、複数の音響光学変調器、複数の変形ミラー、および複数の反射型ＭＥＭＳアレイより成るグループから選択される請求項７に記載の装置。
10. 前記第１の位相パターニング光学部材が、位相のみを変調する１つの空間光変調器である請求項３に記載の装置。
11. 前記第１および第２の位相パターニング光学部材の少なくとも１つが、位相のみを変調する１つの空間光変調器である請求項３に記載の装置。
12. １つのレーザビームを生成する手段を更に備えた請求項１に記載の装置。
13. 前記レーザビームを生成する手段が、複数の固体レーザ、複数のダイオードポンプレーザ、複数のガスレーザ、複数の色素レーザ、複数のアレキサンドライトレーザ、複数の自由電子レーザ、複数のＶＣＳＥＬレーザ、複数のダイオードレーザ、複数のＴｉ−サファイアレーザ、複数のドープ型ＹＡＧレーザ、複数のドープ型ＹＬＦレーザ、複数のダイオードポンプＹＡＧレーザ、複数のフラッシュランプＹＡＧレーザより成るグループから選択される請求項１２に記載の装置。
14. 前記集束レンズが、１つの対物レンズである請求項１に記載の装置。
15. 前記集束レンズの後方開口部に対向して配置される１つのビームスプリッタを更に備え、
    これにより、複数のビームレットが前記後方開口部において導かれ、光学データストリームが、前方から後方の開口部へ前記集束レンズの光軸に沿って通過する請求項１に記載の装置。
16. 前記集束レンズの光軸に沿って前記ビームスプリッタの後ろに配置された偏光およびバンドパスより成るグループから選択された１つの光学フィルタを更に備える請求項１５に記載の装置。
17. 前記集束レンズから上流、および前記第２の位相パターニング光学部材から下流の間に配置された、少なくとも１つのテレスコープレンズシステムを更に備える請求項１に記載の装置。
18. 前記ビームスプリッタから上流に配置された少なくとも１つのテレスコープシステムを更に備えた請求項１５に記載の装置。
19. 前記ビームスプリッタから下流に配置された少なくとも１つのテレスコープシステムを更に備えた請求項１５に記載の装置。
20. 前記ビームスプリッタから上流および下流に配置された少なくとも１つのテレスコープシステムを更に備えた請求項１５に記載の装置。
21. 前記選択された断面が、略正方形である請求項１に記載の装置。
22. 前記選択された断面が、その外縁において強い強度である請求項１に記載の装置。
23. 可動する複数の光トラップを形成することにより複数の微小粒子をトラップする為のシステムであって、
    １つのレーザビームを受け取り、前記レーザビームの波面に正方形断面を与える１つの位相パターニング光学部材と、
    少なくとも１つのコンピュータと、
    前記位相パターニング光学部材から１つのレーザビームを受け取る為の１つのホログラムを有し、前記コンピュータにより符号化された可変表面を有する１つの動的な位相パターニング光学部材であって、これにより、複数の可動ビームレットが、受け取られた１つのレーザビームから形成されることが可能な、動的な位相パターニング光学部材と、
    前記動的な位相パターニング光学部材から下流に配置された、１つの前方開口部および１つの後方開口部を有する１つの対物レンズと
    を備え、
    これにより、前記対物レンズと連携した前記動的な位相パターニング光学部材は、複数のビームレットを個別に収束させ、そして複数の微小粒子をマニピュレート可能な複数の光トラップを形成する為に勾配条件を設定することができるシステム。
24. １つのレーザビームを生成する手段を更に備えた請求項２３に記載のシステム。
25. 前記対物レンズの後方開口部に対向して配置された１つのビームスプリッタを更に備え、
    これにより、複数のビームレットが前記後方開口部において導かれ、光学データストリームが、前方から後方の開口部へと前記集束レンズの光軸に沿って通過する請求項２３に記載のシステム。
26. 前記光データストリームを、１つのコンピュータの使用に適合した１つのデジタルデータストリームへと変換する為の手段を更に備える請求項２３に記載のシステム。
27. 前記対物レンズから上流に配置された少なくとも１つのテレスコープレンズを更に備えた請求項２３に記載のシステム。
28. 前記ビームスプリッタから上流に配置された少なくとも１つのテレスコープレンズを更に備えた請求項２５に記載のシステム。
29. 前記ビームスプリッタから下流に配置された少なくとも１つのテレスコープレンズを更に備えた請求項２５に記載のシステム。
30. 前記ビームスプリッタから上流および下流に配置された少なくとも１つのテレスコープレンズを更に備えた請求項２５に記載のシステム。
31. １つの照明源を更に備えた請求項２６に記載のシステム。
32. 前記選択された断面が、略正方形である請求項２３に記載のシステム。
33. 前記選択された断面が、その外縁において強い強度である請求項２３に記載のシステム。
34. 複数の微小粒子をトラップする為の方法であって、
    直接的に１つの第１の位相パターニング光学部材における１つのレーザビームの波面に、１つの正方形断面を与えることで、１つの修正されたレーザを生成する段階と、
    １つの第２の位相パターニング光学部材において、前記修正されたレーザビームを導くことによって少なくとも２つのビームレットを生成する段階と、
    前記レーザビームを１つの集束レンズを通して導くことにより、１つのベッセルと共に複数の光トラップを生成する段階と、
    少なくとも２つの微小粒子を与える段階と、
    前記複数の光トラップに前記複数の微小粒子を含む段階と
    を備える方法。
35. 前記選択された断面が、略正方形である請求項３４に記載のシステム。
36. 前記選択された断面が、その外縁において強度が最も強い請求項３５に記載のシステム。
37. 複数の光トラップで複数の微小粒子をマニピュレートする為の方法であって、
    直接的に１つの第１の位相パターニング光学部材における１つのレーザビームの波面に、選択された１つの正方形断面を与えることにより、１つの修正されたレーザを生成する段階と、
    １つの第２の位相パターニング光学部材において、前記修正されたレーザビームを導くことによって少なくとも２つのビームレットを生成する段階と、
    複数のビームレットを１つの集束レンズを通して導くことにより、１つのベッセルの範囲内で複数の光トラップを生成する段階と、
    前記ベッセルの範囲内で少なくとも２つの微小粒子を与える段階と、
    １つの光トラップの範囲内に少なくとも１つの微小粒子を含む段階と
    を備える方法。
38. 少なくとも１つの光トラップの位置を変化させる段階を更に備える請求項３７に記載の方法。
39. 前記複数の光トラップは、複数の光ピンセット、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、或いは複数の光ゲージの少なくとも２つ以上から形成される請求項３７に記載の方法。
40. 前記断面が、正方形である請求項３７に記載の方法。
41. 前記選択された断面が、その外縁において強度が最も強い請求項３７に記載の方法。
42. それぞれの光トラップが、独立して可動である請求項３７に記載の方法。
43. それぞれの光トラップの運動が、１つのコンピュータによって制御される請求項３７に記載の方法。
44. それぞれの光トラップの運動が、１つのコンピュータによって制御される請求項３７に記載の方法。
45. 複数の光トラップで複数の微小粒子をマニピュレートする為の方法であって、
    直接的に１つの第１の位相パターニング光学部材における１つのレーザビームの波面に、選択された１つの正方形断面を与えることにより、１つの修正されたレーザを生成する段階と、
    １つの第２の位相パターニング光学部材において、前記修正されたレーザビームを導くことによって少なくとも２つのビームレットを生成する段階と、
    光データストリームを与える段階と、
    複数のビームレットを１つの集束レンズを通して導くことにより、１つのベッセルの範囲内で複数の光トラップを生成する段階と、
    前記ベッセルの範囲内で少なくとも２つの微小粒子を与える段階と、
    １つの光トラップの範囲内に少なくとも１つの微小粒子を含む段階と
    を備える方法。
46. それぞれの光トラップの運動が、１つのコンピュータによって制御される請求項４５に記載の方法。
47. １つのコンピュータで、前記光データストリームを受け取る段階を更に備える請求項４５に記載の方法。
48. 前記コンピュータで、前記光データストリームを分析する段階を更に備える請求項４５に記載の方法。
49. 前記コンピュータが、前記光データストリームの前記分析に基づいて、少なくとも１つの光トラップの運動を導く請求項４６に記載の方法。
50. 前記光データストリームを１つのビデオ信号へと変換する段階を更に備える請求項４５に記載の方法。
51. １つのコンピュータで、前記ビデオ信号を受信する段階を更に備える請求項５０に記載の方法
52. 前記コンピュータで、前記ビデオ信号を分析する段階を更に備える請求項５１に記載の段階。
53. 前記ビデオ信号の前記分析に基づいて、１つ以上の光トラップの運動を導く為に、前記コンピュータを使用する段階を更に備える請求項５１に記載の方法。
54. 前記ビデオ信号が、１つの映像を生成する為に使用される請求項５０に記載の方法。
55. オペレータが前記映像を観察する段階と、
    前記映像を観察する段階に基づいて、１以上の光トラップの運動を導く段階と
    を更に備える請求項５４に記載の方法。
56. 前記光データストリームが、分光データである請求項４５に記載の方法。
57. 前記分光データの１つの分析に基づいて１つ以上の光トラップの運動を導く為に、１つのコンピュータを使用する段階を更に備える請求項５６に記載の方法。
58. 前記複数の光トラップが、複数の光ピンセット、複数の光渦、複数のオプティカル・ボトル、複数の光回転子、或いは複数の光ゲージの少なくとも２つ以上から形成される請求項４５に記載の方法。
59. 前記選択された断面が、その外縁において強度が強い請求項４５に記載のシステム。
60. 前記選択された断面が、その外縁において強度が最も強い請求項３６に記載の方法。

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