JP2013235122A - 微小物の3次元操作装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】焦点可変レンズ4の焦点距離を制御することで、対物レンズ3で集光されるレーザ光のZ方向の焦点距離を制御する第二結像光学系2と、第二結像光学系と直列に接続され、レーザ光偏向機構5により対物レンズ3に入射するレーザ光の入射角度θ0を制御することで、対物レンズ3で集光されるレーザ光のXY方向の焦点位置を制御する第一結像光学系1とを備え、第一結像光学系および第二結像光学系は、焦点可変レンズ4に入射するレーザ光のレーザ光口径hiに対する対物レンズ3に入射するレーザ光のレーザ光口径h0の比を一定に保つ調整機構をさらに有する。
【選択図】図1
Description
図2は、本発明の実施形態に係る微小物の3次元操作装置の1例を示す装置構成図である。本実施例1においては、第一結像光学系および第二結像光学系が共に、等倍(1倍)の結像光学系を構成し、その前段にビームエキスパンダ14を配置することで、レーザ光源12から出力されるレーザ光13のレーザ光口径を、焦点可変レンズ4へ入射するコリメートレーザ光のレーザ光口径hi、すなわち、対物レンズ3の後瞳面におけるレーザ光口径h0に拡大している。また、第一結像レンズ1を通過したほぼコリメート状態にあるレーザ光は、落射ポート9から光学顕微鏡8に導入され、光学顕微鏡8内に設置されたダイクロイックミラー22で反射され、光学顕微鏡8に取り付けられた対物レンズ3へと導かれる。また、レーザ光偏向機構5としては、2軸のジンバルミラーが採用されている。
図3は、図2の装置構成のシステムにおいて、光学顕微鏡8に搭載された100倍の油浸対物レンズ3を用いて、液体21中の8個の球状の微小物(ガラス球:約2ミクロン)20を同時に光ピンセット3次元操作する過程を撮像した顕微鏡画像である。停止時間15ミリ秒の時分割走査を行い、図3(a)に示すような、異なる3次元座標を有する8個の光トラップ点を生成し、それぞれの光トラップ点に1個ずつ微小物を捕捉した(図3(b))。その後、画像モニター18によりカメラ11で逐次取得される顕微鏡実時間画像を参照しつつマウスおよびキーボード19を用いて、制御装置16から焦点可変レンズ4および2軸ミラー5へ送信する指令電気信号を逐次変更し、XYZ軸の周りに3次元的に回転させた。図3(c)はX軸の周りに回転させた様子を、図3(d)はZ軸の周りに回転させた後、X軸の周りに回転させた様子を、それぞれ表している。本実施例2のように、実施例1で示した形態の装置を用いることで、複数の微小物21を同時に3次元空間内において自由自在に操作することができる。なお、本実施例2では、人間がマニュアル操作で3次元操作する例を示したが、微小物21の位置や姿勢、形状を認識できる公知の画像認識法を利用することで、このような作業は対象の認識・捕捉から3次元操作まで、必要な行程をすべて自動化可能である。また、本実施例2では、球形の微小物21の場合を示したが、非特許文献4で公知となっている多点光クランプ法などを捕捉時に適用することで、非球状の微小物21を3次元空間内で安定して捕捉し、並進と回転の6自由度のマイクロ操作できる。
1 第一結像レンズ
2 第二結像レンズ
3 顕微鏡対物レンズ
4 焦点可変レンズ
5 レーザ光偏向機構(2軸ミラー)
6 光軸に対し直交する(XY)方向へ変位されたレーザ光
7 光軸(Z)方向へ変位されたレーザ光
8 光学顕微鏡
9 顕微鏡の落射ポート
10 顕微鏡内の観察用結像レンズ
11 カメラ
12 レーザ光源
13 レーザ光源からのレーザ光
14 ビームエキスパンダ
15 電磁シャッター
16 制御装置
17 画像処理装置
18 画像モニター
19 マウスおよびキーボード
20 液体中に含まれる微小物
21 容器内に充填された液体
22 ダイクロイックミラー
Claims (8)
- 光学顕微鏡に取り付けられた対物レンズへレーザ光を導入し、前記対物レンズで集光されるレーザ光により、容器内の液体に含まれる微小物を捕捉・操作するための装置であって、
焦点可変レンズを有し、前記焦点可変レンズの焦点距離を制御することで、前記対物レンズで集光されるレーザ光の光軸方向の焦点距離を制御する第二結像光学系と、
前記第二結像光学系と直列に接続されており、前記対物レンズに入射するレーザ光の入射角度を偏向させるレーザ光偏向機構を有し、前記入射角度を制御することで、前記対物レンズで集光されるレーザ光の光軸に対して直交する面内における焦点位置を制御する第一結像光学系とを備え、
前記第一結像光学系および前記第二結像光学系は、前記焦点可変レンズに入射するレーザ光のレーザ光口径に対する前記対物レンズに入射するレーザ光のレーザ光口径の比を一定に保つ調整機構をさらに有する、微小物の3次元操作装置。 - 前記レーザ光偏向機構は、2軸ミラー、音響光学素子または電気光学素子からなる、ことを特徴とする請求項1に記載の微小物の3次元操作装置。
- 前記調整機構は、前記第一結像光学系において、前記レーザ光偏向機構の偏向面と前記対物レンズの後瞳面とが共役面となるように、前記レーザ光偏向機構および前記対物レンズの間に配置された第一結像レンズと、
前記第二結像光学系において、前記レーザ光偏向機構の偏向面と前記可変焦点レンズの主点とが共役面となるように、前記レーザ光偏向機構および前記可変焦点レンズの間に配置された第二結像レンズとからなる、ことを特徴とする請求項1または2に記載の微小物の3次元操作装置。 - 前記第一結像光学系および前記第二結像光学系がともに等倍の結像光学系を構成し、
前記第一結像光学系を構成する前記第一結像レンズの焦点距離をf3、前記第二結像光学系を構成する前記第二結像レンズの焦点距離をf2とした時、
前記第二結像光学系を構成する前記焦点可変レンズの焦点距離可変範囲の中心焦点距離f1をf1=f2f3/(f2+f3)となる値に設定する、ことを特徴とする請求項3に記載の微小物の3次元操作装置。 - 前記対物レンズに入射するレーザ光のレーザ光口径を、前記第一結像光学系および前記第二結像光学系と独立に調整するために、直列接続された2つの前記第一および第二結像光学系の前段、中間、後段のいずれかの位置にレーザ光口径調整機構が配備されている、ことを特徴とする請求項1または請求項4に記載の微小物の3次元操作装置。
- 前記第一結像光学系を構成する前記レーザ光偏向機構を制御するために送られる電気信号と、前記第二結像光学系を構成する前記可変焦点レンズを制御するために送られる電気信号とを時間的に同期させることで、3次元空間内に複数の曲線状の光トラップ場を発生させるとともに前記光トラップ場の形状を変更する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の微小物の3次元操作装置。
- 前記第一結像光学系を構成する前記レーザ光偏向機構を制御するために送られる電気信号と、前記第二結像光学系を構成する前記可変焦点レンズを制御するために送られる電気信号とを時間的に同期させることで、3次元空間内に複数の孤立点型の光トラップ場を発生させるとともに前記光トラップ場の位置を変更する、ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の微小物の3次元操作装置。
- 光学顕微鏡に取り付けられた撮像手段からの撮像画像を用いて微小物の3次元位置および姿勢を決定し、
その結果に基づいて、3次元空間内に複数の曲線状または孤立点型の光トラップ場を発生させ、かつ、前記光トラップ場の形状または位置の変更を逐次行うことで、微小物の3次元空間内での位置・姿勢・運動を制御する、ことを特徴とする請求項6または7に記載の微小物の3次元操作装置。
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