JP2009058926A

JP2009058926A - 微粒子光捕捉回転制御装置

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Publication number: JP2009058926A
Application number: JP2007258057A
Authority: JP
Inventors: Marenori Kawamura; 希典河村; Susumu Sato; 佐藤　　進
Original assignee: Akita University NUC
Current assignee: Akita University NUC
Priority date: 2007-08-31
Filing date: 2007-08-31
Publication date: 2009-03-19
Anticipated expiration: 2027-08-31
Also published as: JP5035798B2

Abstract

【課題】本発明は、楕円形状の屈折率の面内分布を制御することで、光捕捉した微粒子の新しい回転制御の方法を提供することに関する。
【解決手段】本発明におけるスリットにより複数に分割された円形パターン電極を有する液晶光学デバイスにおいて、楕円形状の屈折率分布を面内方向で回転する方法により、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子をレーザ光により光捕捉し、また屈折率分布を楕円形状から円形状にすることで、微粒子の３次元位置制御及び基板面内での回転制御のみならず、基板面に垂直な極角方向への回転制御も行うことが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、多分割円形パターン電極と外部制御電極を有する液晶光学デバイスにおける屈折率分布を楕円形状や円形状に制御することで、光捕捉した光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を基板面に垂直な方向すなわち極角方向に微粒子を立ち上げるための回転トルクを発生させ、微粒子の位置を制御することができる技術に関わるものである。

微粒子や細胞等の微細な観察対象物を非接触で移動させるためのマニピュレータがある。このマニピュレータではレーザ光の焦点を観察対象物に照射し、光圧により観察対象物を捕捉して移動制御等を行うことができる。

このような動作を行うため、光の放射圧を利用した微粒子の位置制御（レーザマニピュレーション）技術があり、レーザ光源と集光レンズとの間の光軸上に、移動可能な付加レンズ系やマイクロミラー等を配置し、機械的アクチュエータ等による制御が行われている。

レーザ光の焦点を移動制御するための手段として一本または複数本の微粒子捕捉用レーザ光により光捕捉した微粒子の制御方法が特許文献１に報告されている。

光ファイバを介してレーザ光を微粒子に照射して捕捉し、微粒子の移動を光ファイバの移動により制御する手段が特許文献２に報告されている。

位相変調型の空間光変調器を用いて出力ホログラムパターン形成による微粒子光捕捉及び捕捉位置の制御に関する手段が特許文献３に報告されている。また、液体中における光圧回転体に関する手段が特許文献４に報告されている。

一方、軸対称な不均一電界による液晶分子配向効果に基づく屈折率の空間分布特性を利用した液晶マイクロレンズが提案されており、この液晶マイクロレンズ構造において、直径が数１００μｍ以下の円形穴型パターンをスリットにより分割し、対向する一対の各電極部分にそれぞれ異なる電圧を印加することで、光軸に垂直な平面内で焦点の位置を変える液晶マイクロレンズが考案されている（特許文献５）。

また、機械的な駆動部がなく電圧のみで焦点距離を可変制御できる直径が数ｍｍ程度の液晶レンズを構成する手段が特許文献６及び特許文献７に報告されている。

さらに、スリットにより穴型パターンの電極を８分割し、直径方向に対向する対の電極を同電位とする電圧を加えて電位分布を形成することで、楕円形状の屈折率分布を形成し、入射光に対する光学的特性を可変制御できるアナモルフィック液晶レンズが特許文献８に報告されている。

前記のアナモルフィック液晶レンズに第３の電極を付与することで光学的特性を向上させた構造の液晶光学デバイスと集光レンズを組み合わせることで、液体中の微粒子の移動操作を行う手段が、特許文献９に報告されており、この方法によると微粒子の３次元移動制御のみならず、回転制御動作も可能であることが開示されている。

光捕捉移動装置の応用範囲は遺伝子解析手法等のバイオ分野での微細胞の移動に利用されており、特許文献１０に報告されている。

特開Ｈ５−８８１０７公報特開Ｈ９−４３４３４公報特開２００４−１３８９０６公報特開平８−６１２１８公報特開平１１−１０９３０４公報特開２００４−４６１６公報特開２００６−９１８２６公報特開２００６−９１３９２公報特開２００６−２３５３１９公報特開２００１−１６５８４０公報

上述した従来の微粒子光移動装置では、レーザ光の焦点位置を移動させて微粒子の位置を制御するために、レンズ等の光学部品を機械的アクチュエータ等により制御している。しかし、これでは高精度の機械的制御系が必要となる。

また、位相変調型の空間光変調器を用いて出力ホログラムパターン形成による微粒子光捕捉及び捕捉位置を制御する方法もあるが、空間光変調器が高価であり、しかも光学的もしくは幾何学的異方性を持つ微粒子を極角方向へ回転することが難しい。

光学的もしくは幾何学的異方性を持つ微粒子を面内方向に対して回転するには、複数本のレーザ光を用いる等の方法が考えられているが、周辺構成部品が大がかりとなり、小型化、軽量化には不向きであり、しかも光学部品等を高精度に位置決めする必要がある。また、高精度に微細加工を施した光圧回転体を用いることで、光圧により発生したトルクにより回転を行うことができるが、細胞等の回転位置制御を行うことは難しい。

円形パターン電極をスリットにより分割して各電極に所定の電圧を加えることで動作する液晶光学デバイスと集光レンズを組み合わせた微粒子移動制御装置では、微粒子の３次元位置制御及び基板面内での回転制御が可能であるが、基板面に垂直な方向すなわち極角方向への回転制御を行うことができないという問題があった。

そこで、この発明の目的とするところは、レーザ光の焦点位置を簡単な構成の制御手段で調整でき、しかもレーザ光の位相分布特性を可変することができるため、光学部品を高精度に位置決めする必要がなく、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を、３次元位置制御及び面内方向での回転制御のみならず、基板面に垂直な方向への極角方向制御を行うことが可能である微粒子回転制御装置を提供するところにある。

この発明は、上記の問題を解決するために、透明な第１の電極を有する第１の基板と、この第１の基板に平行に対向した第２の基板と、前記第２の基板の外部にあって前記第１の基板と反対側に配置してそれぞれ独立に電圧を印加できるようにスリットにより複数に分割された円形パターンを有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層を備え、前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、前記複数に分割された第２の電極とは独立に電圧を印加できるように構成された液晶光学デバイスと対物レンズにより集光したレーザ光を用いて、焦点付近で光捕捉した光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を、基板面に平行な面内方向及び３次元位置制御のみならず基板面に垂直な方向、すなわち極角方向へ回転制御すること、また前記微粒子を基板面に対して斜め又は垂直状に光捕捉して３次元位置制御を行うこと、及び基板面から傾いた状態に保持しながら回転制御することを基本とする。

この発明によれば、微粒子光操作装置における液晶光学デバイスを通過する光捕捉レーザ光の位相分布特性を可変することで、光学的もしくは幾何学的異方性を有する透明微粒子または微細胞の位置移動を行うことができ、前記微粒子の方向を自由に回転することができる。また、液晶光学デバイスの電圧を制御することにより、回転応答特性を向上することができる。

以下で図面を参照してこの発明の実施形態を詳細に説明する。図１はこの発明に関わる微粒子回転制御装置の構成例を示している。レーザ光源１１３、レーザ光を平行光とするための２枚の凸レンズ１１１，１１２、ミラー１１、液晶光学デバイス１４、高開口数の対物レンズ１２、サンプルホルダ１３が配置される。

サンプルを観察する鏡筒部には対物レンズ１５、接眼レンズ１７、レーザ光を減衰するフィルタ１６、撮像カメラ（例えばＣＣＤカメラ）１８が取り付けられている。

撮像カメラからの画像出力信号は、パーソナルコンピュータなどのモニタ１９に供給されている。

レーザ光源１１３からのレーザ光は凸レンズ１１１，１１２により平行光にされ、ミラー１１により液晶光学デバイス１４に導かれる。液晶光学デバイス１４においてその光学特性を制御し、対物レンズ１２を介してサンプルホルダ１３の液体に分散した微粒子（観察対象物）に焦点を合わせ、この微粒子を捕捉することができる。

光捕捉した微粒子の３次元移動及び回転は電圧制御部１１０を操作し、多分割電極及び外部制御電極を有する液晶光学デバイスの各電極に印加する電圧や時間、切り替えのタイミング等をコントロールすることにより、捕捉レーザ光のレーザ波面、光学特性の制御と回転応答の高速化を行うことが可能である。

本発明で用いた液晶光学デバイス１４の模式図を図２（ａ）及び（ｂ）に示し、基本構成と基本動作について詳しく説明する。第３の基板（ガラス基板）２５は酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）材からなる第３の電極となる透明な外部制御電極２２が付いている。第２の基板２８にフォトリソグラフィー法により作製した８分割円形パターンアルミ薄膜の第２電極２１が形成されており、円形パターン電極の直径は例えば３．８ｍｍである。

８分割円形パターン電極付きガラス基板２８の片面と第１の基板としての透明な第１の電極（ＩＴＯ材）付きガラス基板２９表面に，ポリイミド配向膜を塗布し，一方向にラビング処理を施している。第１の基板２９と第２の基板２８の２枚の基板を球状スペーサ２１１（例えば直径１１０μｍ）と紫外線硬化型接着剤を用いて貼り合わせ、前記の２枚の基板間に液晶材料２３を封入している。

８分割円形パターン電極付きの第２の基板２８と外部制御電極付きの第３の基板を例えば４０μｍの球状スペーサ２１０を介して張り合わせている。

上記の液晶光学デバイスを駆動する場合、特許文献９で開示されているように、図２（ｂ）に示すように外部制御電極としての第３の電極２２と第１の電極２４の間に電圧Ｖ_０を印加し、８分割円形パターンを有する第２の電極２１における各電極にＶ_ＡからＶ_Ｈの電圧を印加することにより、焦点距離とレーザ光の偏向特性を制御することが可能である。加えて、出射光の波面制御を行うことができることから、出射光のビーム形状を円形から楕円形状まで自由に制御することができる。各電極の電圧制御には、電圧コントロール部１１０により調節できるようになっている。

図３（ａ）、（ｂ）は８分割円形パターン電極である第２の電極（Ｖ_Ａ〜Ｖ_Ｈ）に印加する電圧駆動法１及び電圧駆動法２を示している。ここで、第３の外部制御電極２２の電圧Ｖ_０＝１０Ｖとしている。図３（ａ）に示すように、各電極に時間間隔▲１▼〜▲４▼で正弦波電圧の実効値Ｖ_ａ＝５４Ｖ、Ｖ_ｂ＝３８Ｖ及びＶ_ｃ＝２７Ｖを印加し、切り替えを行うことで、機械的な動作を伴うことなく、楕円形状に分布した長軸方向及び短軸方向の屈折率分布を時系列かつ一方向に回転制御することができる。

図３（ｂ）に示すように電圧駆動法２において、図３（ａ）と同様に８分割された第２の円形パターン電極に印加する電圧をＶ_ａ＝５４Ｖ、Ｖ_ｂ＝３８Ｖ及びＶ_ｃ＝２７Ｖとする場合、Δｔ＝１００ｍｓの間だけ２倍または４倍の高電圧Ｖ_ａ→ｂ、Ｖ_ｂ→ｃまたはＶ_ｃ→ａを印加することで、液晶分子の回転方向を方向づけることができる。そのため、楕円形状に分布した屈折率分布の長軸方向及び短軸方向を高速に回転することが可能となる。

図１に示したように、液晶光学デバイス１４と高開口数の対物レンズ１２と組み合わせた光捕捉回転制御装置において、レーザ光を液体に分散した棒状微粒子３２に照射し、図３（ａ）または（ｂ）に示した電圧を各電極に印加することで、対物レンズ１２を出射した焦点位置で楕円形状の光強度分布となる。レーザ光の焦点面において、光強度分布の長軸方向と棒状微粒子の長軸方向と一致させ光捕捉を行い、レーザ光における楕円形状の光強度分布を面内で回転させることで棒状微粒子への回転トルクが発生し、微粒子を回転することができる（図４（ａ））。したがって、レーザ光の焦点面において、楕円形状の光強度分布の長軸方向と光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子の長軸方向と一致させ光捕捉を行うことにより微粒子の回転の制御が容易となる。

図４（ｂ）は棒状微粒子の一方の端部に焦点を合わせ、面方向に対して垂直な極角方向に焦点距離を制御することにより、棒状微粒子を面に対して垂直に立たせた場合の模式図を示している。方位角θのみならず極角φ方向へ棒状微粒子の回転制御を行うことができる。

図４（ｃ）に示したように，８分割円形パターンから成る第２の電極の電圧を制御することでレーザ光の偏向を行うことも可能である。この効果を利用することで、液体中に分散した微粒子を光捕捉し，光軸に対して垂直な方向に微粒子を移動させることができる。しかも、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を斜めに保持しながら、位置の移動や微粒子が基板面に対してある角度傾いた状態で回転制御することができる。

本発明の一実施形態に関わる多分割液晶光学デバイスを２枚の偏光板により挟み、各々の電極に電圧を印加することにより得られた光軸方向からみた光の位相分布（干渉縞）を図５示している（実施例１）。第２の電極において、各々の対をなす円形パターン電極に異なる電圧を加えることで楕円形状の干渉縞が生じ、干渉縞の密度（位相分布特性）を制御することができる。加えて、楕円形状に分布した長軸方向及び短軸方向の屈折率分布を回転制御することができる。

本発明の一実施形態に関わる多分割液晶光学デバイスを２枚の偏光板により挟み、円形パターン領域における光軸方向から得られた光の位相分布において、干渉縞中心を円形パターンの中心からずれた状態で時計方向に回転するように第２の電極において各々の円形パターン電極に電圧を印加した場合に観察した干渉縞を図６（ａ）〜（ｊ）に示す（実施例２）。各々の電極に異なる電圧を加えることで、干渉縞の密度分布を制御することができ、且つ干渉縞の分布を回転制御することができる。すなわち、このような駆動法により、微粒子を基板面に対してある角度傾けた状態で回転制御することができる。

本発明の液晶光学デバイスにおける円形パターン領域での楕円形状干渉縞における長軸方向を４５°（時計方向）毎に回転する場合の回転角度における応答時間特性を図７に示している。（実施例３）各電極に図３（ａ）で示した電圧駆動法１（ｉ）の場合よりも図３（ｂ）で示した電圧駆動法２における２倍の電圧（ｉｉ）または４倍の電圧（ｉｉｉ）をΔｔ＝６００ｍｓ間印加することで，面内方向での屈折率分布を高速に切り換えることが可能である。

本発明の光捕捉回転制御装置において、光捕捉した棒状微粒子の回転角−応答時間特性を図８に示す。（実施例４）液晶光学デバイスにおける各電極に任意の面内方向の屈折率分布が得られるように最適な電圧制御を行うことで、棒状微粒子を任意方向に連続的に回転することができる。さらに、電圧駆動法２における瞬時電圧を印加することで，従来の棒状微粒子の回転制御よりも高速に動作させることが可能となる。

本発明の光捕捉回転制御装置において、液晶光学デバイスにおける円形パターン電極の各電極に楕円形状の屈折率分布を持つように電圧を印加し、棒状微粒子（直径：１１μｍ、長さ：３５μｍ）を回転、さらに位置の移動行った。その後、棒状微粒子の中心部からずれた位置で、液晶光学デバイスにおける屈折率分布を楕円形状から円形状になるように円形パターンから成る第２の電極の電圧を制御したときの微粒子の様子を図９に示す。（実施例５）異方性の微粒子の中心からずれた位置で液晶光学デバイスの屈折率分布を楕円形状から円形状に可変し、光捕捉することにより、極角方向へ微粒子を回転制御することができる。

マイクロマシーン技術や微細胞の結合及び切断へのバイオメディカル分野等幅広い分野への応用が期待できる。

この発明に関わる微粒子光捕捉回転制御装置の概略を説明した図である。図１に用いられた液晶光学デバイスの概略図である。実施の形態の動作を説明するために示した電圧波形の例を示す図である。本発明の微粒子回転及び移動を説明するために示した概略図である。本発明の一実施形態に関わる多分割液晶光学デバイスを２枚の偏光板により挟み、個々の電極に電圧を印加することにより得られた楕円形状の干渉パターンを示す図である。（実施例１）本発明の一実施形態に関わる多分割液晶光学デバイスにおいて、個々の電極に異なる電圧を印加し、電圧制御することにより得られた干渉パターンを示す図である。（実施例２）本発明の液晶光学デバイスにおける楕円形状の屈折率分布の回転角応答時間を示している図である。（実施例３）本発明の光捕捉回転制御装置における棒状微粒子の回転角応答時間を示している図である。（実施例４）本発明の光捕捉回転制御装置を用いて、棒状微粒子を極角方向に回転した場合の写真である。（実施例５）

符号の説明

１１反射ミラー
１２対物レンズ
１３サンプルホルダ
１４液晶光学デバイス
１５観察用対物レンズ
１６干渉フィルタ
１７接眼レンズ
１８ＣＣＤカメラ
１９画像取り込みＰＣ
１１０電圧コントロール部
１１１レンズ
１１２レンズ
１１３レーザ光源
２１８分割円形電極から成る第２の電極
２２第３の電極
２３液晶層
２４第１の電極
２５第３の基板
２６円形パターンからなる第２の電極用電源
２７外部制御電極用電源
２８第２の基板
２９第１の基板
２１０球状スペーサ
２１１球状スペーサ
３１サンプルホルダ
３２棒状ガラス微粒子

Claims

透明な第１の電極を有する第１の基板と、この第１の基板に平行に対向した第２の基板と、前記第２の基板の外部にあって前記第１の基板と反対側に配置してそれぞれ独立に電圧を印加できるようにスリットにより複数に分割された円形パターンを有する第２の電極と、前記第１の基板と第２の基板との間に収容された液晶分子を配向させた液晶層を備え、前記第２の電極の外部に絶縁層を介して第３の電極を配置し、前記複数に分割された第２の電極と独立に電圧を印加できるように構成された液晶光学デバイスと対物レンズとの組み合わせにより集光したレーザ光を用いて、焦点付近で光捕捉した光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を、基板面に平行な面内方向での回転制御及び３次元位置制御のみならず基板面に垂直な方向、すなわち極角方向へ回転制御することを特徴とする微粒子光捕捉回転制御装置。
前記微粒子光捕捉回転制御装置において、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子の中心からずれた位置で、液晶光学デバイスにおける屈折率分布を楕円形状から円形状にすることで、基板面に垂直な極角方向へ回転制御することを特徴とする請求項１に記載の微粒子光捕捉回転制御装置。
前記微粒子光捕捉回転制御装置において、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を基板面に対して斜め又は垂直状に光捕捉し、前記光補足した微粒子の３次元位置制御を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の微粒子光捕捉回転制御装置。
前記微粒子光捕捉回転制御装置において、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子を基板面に傾けて保持した状態で、回転制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の微粒子光捕捉回転制御装置。
前記微粒子光捕捉回転制御装置において、光学的もしくは幾何学的異方性を有する微粒子の位置及び回転制御を行う瞬間に、各分割された電極の対となる電極間の電位差が所定の電位差よりも大きくなるような電圧を電極２の各分割電極に一定時間加えることで３次元位置制御、基板面内方向での回転制御及び基板面から垂直方向への極角方向への回転制御を高速に行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の微粒子光捕捉回転制御装置。