JP4178244B2

JP4178244B2 - 粒子位置制御システム、及び、粒子位置制御方法

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Publication number: JP4178244B2
Application number: JP2004073132A
Authority: JP
Inventors: 祐光古川
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2008-11-12
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP2005260169A

Description

本発明は、光を用いて粒子の位置を制御する粒子位置制御システム、及び、粒子位置制御方法に関する。

従来より、レーザビーム等の光の放射圧を利用して、細胞や金属粉末等の微粒子を非接触で捕捉（トラップ）し操作する技術が研究され実用化されてきている（例えば、特許文献１参照）。このような、光で粒子を捕捉する技術は光ピンセット技術と呼ばれている。
従来の光ピンセット技術においては、１本の光線で１個の粒子の位置を制御することは可能であった。すなわち、水や空気等の媒質空間中に存在する粒子に１本の光線を照射することにより１個の粒子を捕捉した後、光線の照射位置を移動させることにより粒子を追随して移動させることは可能であった。また、複数の粒子が光線の動きに追随して集団で移動する性質を利用して、複数の粒子が散在する空間を光線でスキャンすることにより、粒子を集団で移動させることは可能であった。

従って、個々の粒子を独立に位置制御するためには、粒子の数分だけ光線を用意する必要があった。すなわち、粒子の数分だけ光源を用意するか、１本の光線を複数の光線に分割することにより、個々の粒子に個々の光線を照射する必要があった。このような方法は、制御すべき粒子の数が多い場合には現実的ではない。
また、物理的なピンセットを用いることにより、粒子を１つずつ動かして配列する技術も存在している。しかしながら、このような方法では粒子の配列が完了するまでに日単位の時間がかかってしまう。
特開２００２−１００２８６号公報（要約）

多くの粒子を扱う場合、複雑な制御を行うことなく、１本の光線を用いて高速に複数の粒子の制御を行うことが可能であれば、光ピンセット技術の利用範囲が広がる。上述したように、１本の光線を用いてビームスキャンを行い、光の軌跡に従って粒子を配列することは可能である。しかしながら、単にビームスキャンを行っただけでは、粒子がビームに追随するように動いてしまい、意図した配列を形づくるのが困難である。
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、１本の光線を用いて、複数の粒子を独立に位置制御するための粒子位置制御システム、及び、粒子位置制御方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、多数の粒子が散在する空間への１本の光線の照射位置を制御することにより、多数の粒子をそれぞれ独立に捕捉すべきトラップ位置での粒子の捕捉を制御する粒子位置制御システムにおいて、前記空間に対して照射される前記１本の光線を出力する光線発生手段と、前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を特定のトラップ位置で捕捉するための特定のトラップ照射位置から、他の粒子を他のトラップ位置で捕捉するための他のトラップ照射位置まで移動させる、前記１本の光線を制御する粒子位置制御手段とを備え、前記粒子位置制御手段は、前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を特定のトラップ位置で捕捉するための特定のトラップ照射位置から、他の粒子を他のトラップ位置で捕捉するための他のトラップ照射位置まで移動させる時に、該移動させる時の速度を、前記一の粒子が前記光線の照射位置の移動に追随して移動する速度よりも速くすることを特徴とする粒子位置制御システムを提供する。

請求項１に記載の発明によれば、粒子位置制御システムは、トラップ照射位置に対して
粒子を捕捉するために必要な光量により１本の光線を照射するため、トラップ位置で粒子を確実に捕捉することができる。また、粒子位置制御システムは、トラップ照射位置以外においては、トラップ位置で捕捉された粒子が光線の照射位置の移動に追随して移動しないように光線を制御するため、トラップ位置で捕捉された粒子を動かないように固定しておくことができる。このため、１本の光線を用いながらも、複数の粒子を同時かつ独立に位置制御することができ、高速に複数の粒子各々を所望の位置に配列することができる。

さらに、請求項１に記載の発明によれば、前記粒子位置制御手段は、前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を特定のトラップ位置で捕捉するための特定のトラップ照射位置から、他の粒子を他のトラップ位置で捕捉するための他のトラップ照射位置まで移動させる時に、該移動させる時の速度を、前記一の粒子が前記光線の照射位置の移動に追随して移動する速度よりも速くしたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の粒子位置制御システムにおいて、前記粒子位置制御手段は、前記１本の光線の照射位置を、前記トラップ照射位置と該トラップ照射位置の近傍とを重畳して移動させる制御を行うことにより、前記トラップ照射位置に対して照射される光量を多くすることを特徴とする。請求項２に記載の発明によれば、粒子位置制御手段は、１本の光線の照射位置を、前記トラップ照射位置と該トラップ照射位置の近傍とを重畳して移動させる制御を行うため、トラップ照射位置に対して照射される光量を多くすることができ、粒子をトラップ位置に確実に捕捉しておくことができる。光線の移動速度を高速にした場合であっても、粒子を捕捉するために必要な光量をトラップ照射位置に対して供給することができ、トラップ位置に安定して粒子を捕捉しておくことができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の粒子位置制御システムにおいて、前記粒子位置制御手段は、前記１本の光線の照射位置が前記トラップ照射位置を移動する時の速度を、前記トラップ照射位置以外の位置を移動する時の速度よりも遅くする制御を行うことにより、前記トラップ照射位置に対して照射される光量を多くすることを特徴とする。請求項３に記載の発明によれば、粒子位置制御手段は、１本の光線の照射位置がトラップ照射位置を移動する時の速度を、トラップ照射位置以外の位置を移動する時の速度よりも遅くする制御を行うため、トラップ照射位置に対して照射される光量を多くすることができ、粒子を確実にトラップ位置で捕捉することができる。このため、光線の移動速度を高速にした場合であっても、粒子を捕捉するために必要な光量をトラップ照射位置に対して供給することができ、トラップ位置に安定して粒子を捕捉しておくことができる。

請求項４に記載の発明は、多数の粒子が散在する空間に対して１本の光線を照射することにより、多数の粒子をそれぞれ独立に捕捉し、前記多数の粒子の位置制御を行う粒子位置制御方法において、前記粒子の配列により形成すべき形状を表す図形データを読み込む図形データ読込ステップと、前記図形データ読込ステップにおいて読み込まれた図形データに基づいて、前記粒子が存在すべき前記空間内の位置を表す位置情報を取得する位置情報取得ステップと、前記位置情報取得ステップにおいて取得された位置情報に基づいて、１本の光線の前記空間に対する照射位置を、時間経過に応じて制御する照射位置制御ステップとを有し、前記照射位置制御ステップにおける前記１本の光線の照射位置制御によって、前記空間内の粒子を前記図形データで表される形状に配列し、前記１本の光線の照射位置制御では、前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を捕捉するための照射位置から、他の粒子を捕捉するための他の照射位置まで移動させる時に、該移動させる時の速度を、前記一の粒子が前記光線の照射位置の移動に追随して移動する速度よりも速くすることを特徴とする粒子位置制御方法を提供する。請求項４に記載の粒子位置制御方法によれば、図形データに基づいて、粒子が存在すべき前記空間内の位置を表す位置情報を取得し、位置情報に基づいて１本の光線の照射位置を、時間経過に応じて制御するため、１本の光線で、空間内の粒子を同時に制御し、高速に図形データで表される形状に配列することができる。

本発明によれば、粒子位置制御システムは、粒子位置制御システムは、トラップ照射位置に対して粒子を捕捉するために必要な光量により１本の光線を照射するため、トラップ位置で粒子を確実に捕捉することができる。また、粒子位置制御システムは、トラップ照射位置以外においては、トラップ位置で捕捉された粒子が光線の照射位置の移動に追随して移動しないように光線を制御するため、トラップ位置で捕捉された粒子を動かないように固定しておくことができる。このため、１本の光線を用いながらも、複数の粒子を同時かつ独立に位置制御することができ、高速に複数の粒子各々を所望の位置に配列することができる。

次に、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下の説明において参照する各図においては、他の図と同等部分に同一符号が付されている。
［１．１．全体構成］
図１は、粒子位置制御システム１を側面から見た図である。同図に示すように、粒子位置制御システム１は、レーザビームを発光するレーザ発光器１０と、レーザビームのＺ軸方向の焦点位置を調整するＺ軸レンズ２０と、レーザビームのＸＹ軸方向の焦点位置を調整するガルバノミラー３０と、波長によって光を透過・屈折させるダイクロイックミラー４０と、対物レンズ５０と、空気や水等の媒質空間中に複数粒子が散在する試料６０と、レーザカットフィルタ７０と、カメラ８０と、図示せぬステッピングモータと、パーソナルコンピュータ（以下「ＰＣ」という）とを含んで構成されている。

レーザ発光器１０は、光源から１本のレーザビームを出力する。レーザの種類としては
、アルゴンレーザやＹＡＧレーザを用いる。なお、光源から出力する光はレーザに限定されず、フォトンを放射して放射圧を発生させる光であればどのようなものでもよい。
レーザ発光器１０からレーザビームが出力される方向にはＺ軸レンズ２０が設けられている。Ｚ軸レンズ２０は２つのレンズより構成される。２つのレンズのうち、レーザ発光器１０寄りに設置されているレンズは、レーザビームの光軸方向に移動自在に設けられている。このレンズを光軸方向に移動させることにより、Ｚ軸方向の焦点距離を変化させる。

Ｚ軸レンズ２０を挟んでレーザ発光器１０と反対側には、Ｚ軸レンズ２０から入射したレーザビームを反射させるガルバノミラー３０が設けられている。ガルバノミラー３０は、Ｘ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２とを含んで構成される。Ｘ軸ミラー３１を、垂直方向に設けられた軸を中心に回動させることにより、レーザビームのＸ軸方向の焦点位置を調整する。Ｙ軸ミラー３２を、水平方向に設けられた軸を中心に回動させることにより、レーザビームのＹ軸方向の焦点位置を調整する。Ｘ軸ミラー３１，Ｙ軸ミラー３２各々には、図示せぬステッピングモータが接続されている。ステッピングモータからの動力を受けて、Ｘ軸ミラー３１，Ｙ軸ミラー３２は所定角度回動する。なお、Ｘ軸ミラー３１，Ｙ軸ミラー３２の代わりに１枚のミラーを設け、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に回動させてもよい。

ダイクロイックミラー４０は、入射光の波長に応じて、入射光を反射させたり透過させたりするミラーである。ここでは、ダイクロイックミラー４０は、Ｘ軸ミラー３１から入射したレーザビームを対物レンズ５０の方向に反射する。反射したレーザビームは顕微鏡内の対物レンズ５０で集光されて、試料６０の位置に焦点を結ぶ。また、ダイクロイックミラー４０は、対物レンズ５０の方向から入射した光を透過させる。透過した光は、レーザカットフィルタ７０でレーザの波長をカットされた後、レンズで集光してカメラ８０に入射する。カメラ８０には図示せぬ画像処理装置が接続されており、カメラ８０によって撮影された撮像データは画像処理装置に送られて画像処理がなされ、図示せぬモニタ上に表示される。

試料６０は媒質空間中に散在する複数の粒子である。媒質空間は、二次元であっても、三次元であってもよい。媒質には、水、空気、油等が用いられる。また、粒子は細胞やＤＮＡ等の光を透過させる粒子でもよいし、金属微粒子のような光を透過させない粒子でもよい。
図示せぬＰＣのハードディスク等のメモリには、レーザビームの照射位置を制御するためのプログラムが記憶されている。

［１．２．１本のレーザビームによる粒子の位置制御］
光ピンセット技術によって粒子を捕捉する方法には種々の態様がある。例えば、粒子が透明である場合には、粒子に光が照射されると粒子中を通過した光は屈折する。この光の屈折によって粒子に力が及ぼされて粒子が移動する。一方、粒子が不透明で光を透過させない場合には、粒子の周囲に光が照射されると、光の一部が粒子の裏側に回り込む回折現象を生じる。これにより粒子が光に引き寄せられる力を受けて移動する。そして、粒子に及ぼされる力が釣り合う安定点において粒子は停止する。すなわち、粒子は捕捉されることとなる。

このように、粒子が透明である場合と不透明である場合とで粒子をトラップする原理が若干異なるため、粒子をトラップすべき位置（以下「トラップ位置」という）で捕捉するためのレーザビームの照射位置（以下「トラップ照射位置」という）も若干異なることとなる。すなわち、粒子が透明である場合には、レーザビームの焦点位置に粒子の安定点が存在するため、粒子は光軸上の焦点位置にトラップされることとなる。一方、粒子が不透明である場合には、レーザビームの光軸の周囲に粒子の安定点が存在するため、粒子は光軸の周囲にトラップされることとなる。このため、トラップ位置に粒子をトラップするた
めには、粒子の性質に応じて、レーザ発光器１０から出力されるレーザビームのパワーと試料６０におけるトラップ照射位置とを調整する必要がある。

次に、レーザ発光器１０より照射される１本のレーザビームを用いて、複数の粒子の位置制御を行う仕組みについて説明する。
１本のレーザビームで複数の粒子の位置制御を行うためには、（１）レーザビームの照射位置を、特定のトラップ位置で捕捉するためのトラップ照射位置から、他の粒子を他のトラップ位置で捕捉するための他のトラップ照射位置まで移動させる時の制御と、（２）トラップ照射位置に対してレーザビームを照射する時の制御とを考慮する必要がある。

まず、（１）の制御について検討する。レーザビームの照射により粒子が特定のトラップ位置において捕捉されている状態からレーザビームの照射位置を移動させた場合には、粒子に働く力の釣り合いがくずれて、図２に示すように、粒子に一定方向の力（トラップ力）ｆが働くこととなる。このトラップ力ｆを受けて粒子が移動する速度は、粒子の重さをゼロと仮定した場合に、ｖ＝ｆ／６πｒη（ストークスの方程式、ｒ：粒子の半径、η：粒子の周囲の媒質の粘性率）で算出される。このため、粒子にトラップ力ｆを及ぼすようにレーザビームを移動させた場合には、粒子がレーザビームの移動に追随して移動することとなる。

従って、粒子がレーザビームの移動に追随して移動しないようにするためには、レーザビームが粒子に力ｆを及ぼしたときに粒子が移動する速度ｖよりも速くレーザビームの照射位置を移動させる必要がある。
なお、上記速度ｖは、粒子の重さをゼロと仮定した場合の理論値である。実際には、粒子には粒子の重さに依存する慣性力が働いて、ｖより遅い速度でレーザビームを移動させたとしても粒子は動かない。また、粒子の速度は、温度、圧力、媒質の粘性、及び、粒子の質量等の様々な要因に影響されるため、これらの要因を考慮した上で、粒子が追随して移動しないためのレーザビームの移動速度を決定する必要がある。

例えば、媒質の粘性について考えると、媒質が油である場合には、油の粘性は水や空気よりも大きいため、水や空気が媒質である場合に粒子が移動する速度でレーザビームをスキャンしたとしても粒子は移動しない。一方、媒質が空気である場合には、空気は水よりも粘性が小さいため、粒子を移動させないようにするために、媒質が水である場合よりも高速でレーザビームをスキャンする必要がある。また、温度が高い場合や粒子の質量が小さい場合には粒子の速度は速くなるため、温度が低い場合や粒子の質量が大きい場合よりも高速でスキャンする必要がある。
なお、以上説明したレーザビームを高速で移動させる方法以外に、レーザビームがトラップ照射位置間を移動する間に粒子が動くのを防ぐ方法としては、レーザビームがトラップ照射位置間を移動している間は、レーザ発光器１０からのレーザビームの出力を一旦止めるという方法も考えられる。

次に、（２）（トラップ位置に粒子を捕捉するためのトラップ照射位置にレーザビームを照射する時の制御）について検討する。
トラップ位置に粒子を捕捉しておくためには、トラップ照射位置に対して、粒子を捕捉しておくために必要な光量を照射する必要がある。ところが、（１）の制御によりレーザビームの移動速度を速くした場合には、トラップ照射位置に対して粒子を安定して捕捉しておくために必要な光量を照射することができなくなる。このため、レーザビームの速度を変化させずにトラップ照射位置において必要な光量を確保するための制御方法として、例えば、図３に示すように、１本のレーザビームの照射位置を、トラップ照射位置と当該トラップ照射位置の近傍とを重畳して移動させる制御を行う。これにより、レーザビームを一定速度で安定してスキャンさせながら、トラップ照射位置に対して、所定時間内に照
射される光量を多くすることができる。

また、トラップ照射位置に照射される光量を多くする別の制御方法として、レーザビームの照射位置がトラップ照射位置を移動する時の速度を、トラップ照射位置以外の位置を移動する時の速度よりも遅くする方法が考えられる。具体的には、図４に示すように、所定時間の間、レーザビームの照射位置をトラッップ照射位置に停止させておく制御を行う。または、レーザビームの照射位置をトラップ照射位置において十分低速に移動させることにより、レーザビームの照射位置がトラップ照射位置に長時間留まるようにする。なお、このようにレーザビームの照射位置が移動するのを停めたり速度を変えたりするためには、このような制御に耐えうる大型のモータを使用する必要がある。

また、トラップ照射位置に照射される光量を多くする別の方法として、レーザ発光器１０から出力されるレーザビームの光量を制御することにより、レーザビームによりトラップ照射位置に照射される光量を、トラップ照射位置以外に照射される光量よりも多くする方法も考えられる。
以上のような１本のレーザビームの移動制御を行いながら、複数のトラップ照射位置各々に対して順に、例えば、１秒間当たり５回程度レーザビームを照射する。

［１．３．機能構成］
次に、本発明に係る粒子位置制御システム１の機能構成について説明する。図５に示すように、粒子位置制御システム１は、光線発生部１１と粒子位置制御部１２とを含んで構成される。
光線発生部１１は、レーザ発光器１０とレーザ発光器１０の光源から出力される１本のレーザビームとを含んで構成される。
また、粒子位置制御部１２は、Ｚ軸レンズ２０と、ガルバノミラー３０と、図示せぬステッピングモータと、図示せぬＰＣのＣＰＵがプログラムを実行することにより実現する機能と、ＰＣのメモリに記憶されたデータとを含んで構成される。

粒子位置制御部１２は、トラップ照射位置に対して、トラップ位置で粒子を捕捉するために必要な光量により、１本のレーザビームを照射し、かつ、トラップ位置で捕捉された粒子が当該レーザビームの照射位置の移動に追随して移動しないように、トラップ照射位置以外でのレーザビームを制御する。レーザビームがトラップ照射位置間を移動する間に粒子が動くのを防ぐ方法として、粒子位置制御部１２は、上記［１．２．１本のレーザビームによる粒子の位置制御］で説明した制御方法のうち、粒子が追随しない程度の高速でレーザビームの照射位置を移動させる制御を行う。また、トラップ照射位置に対して十分なレーザビームを照射するための制御として、粒子位置制御部１２は、図３に示すように、レーザビームの照射位置を、トラップ照射位置間を移動させる速度と同一速度で、トラップ照射位置とその付近を重畳させて移動させる制御を行う。

また、粒子位置制御部１２は、複数の粒子の配列で形成すべき形状である開始図形のデータと終了図形のデータとが与えられた場合に、時間経過に応じて粒子の配列が開始図形から終了図形に変化するように、各々の粒子を配列し直す。
粒子位置制御部１２を構成するステッピングモータは、粒子がレーザビームの照射位置の移動に追随して移動する速度よりも速い速度でレーザビームの照射位置が移動するように、ガルバノミラー３０を回動させる。このレーザビームの照射位置の移動速度は、上述した様々な要因を考慮して予め定められている。

粒子位置制御部１２を構成する、ＰＣに記憶されるデータとしては、予め定められた、レーザビームの照射位置の移動速度を表すレーザ移動速度データと、トラップ照射位置と当該トラップ照射位置の近傍とを重畳させてレーザビームの照射位置を移動させる時間の
長さを表す設定時間データと、ＰＣのキーボート等から入力される文字や記号に対応するトラップ照射位置の座標を表す図形データとが含まれている。また、ＰＣに記憶されるデータとしては、レーザビームのトラップ照射位置を表すデータが含まれる。ここで、位置を二次元座標として考えた場合、試料６０に対するレーザビームの照射位置（ＸＹ座標）は、Ｘ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２との回転角によって一意に定められる。また、Ｘ軸ミラー３１とＹ軸ミラー３２との回転角は、各ミラーに接続されたステッピングモータによって一意に定められる。よって、試料６０に対するレーザビームの照射位置を制御するためには、ステッピングモータを制御すればよいこととなる。

また、粒子位置制御部１２を構成する、ＰＣに記憶されるプログラムとしては、トラップ照射位置に対してレーザビームを複数回重畳して照射し、トラップ照射位置以外においては上述した予め定められたレーザ移動速度でレーザビームの照射位置を移動させるためのプログラムが記憶されている。具体的には、このプログラムは、粒子を捕捉すべきトラップ位置と設定時間データとレーザ移動速度データとに基づいて、時間経過に応じたレーザビームの照射位置を判定し、当該判定結果に従ってレーザビームの照射位置が変化するようにステッピングモータを制御するためのプログラムである。
また、ＰＣに記憶されるプログラムとして、複数の粒子の配列で形成される図形を開始図形から終了図形に配列し直すために、時間経過に応じたレーザビームの照射位置を算出するためのプログラムが含まれている。

［２．１．粒子位置制御処理］
次に、上記構成を備える粒子位置制御システム１が行う粒子位置制御処理の動作例を説明する。
本動作例においては、トラップ位置及びトラップ照射位置を二次元座標とし、トラップ照射位置を「トラップ座標点」という。
まず、例えば、ユーザがＰＣのキーボードのキーを1つ押下することにより文字を入力する。これにより、ＰＣのＣＰＵは、入力された文字に対応する図形データをメモリより読み込む（ステップＳ１０１）。

ＰＣのＣＰＵは、図形データに基づいて、粒子をトラップすべきトラップ位置に対応するトラップ座標点の総数“ｎ１”を設定する（ステップＳ１０２）。次に、ＰＣのＣＰＵは、変数ｎに“０”を設定する（ステップＳ１０３）。
粒子位置制御部１２は、ステッピングモータを駆動することにより、ガルバノミラー３０を所定の角度回転させて、光線発生部１１からのレーザビームの照射位置を試料６０における開始座標点に移動させる（ステップＳ１０４）。このときに、粒子位置制御部１２は、予め定められたレーザ移動速度データに基づいて、粒子が追随できない程度の高速でレーザビームの照射位置を移動させる。

次に、ＰＣのＣＰＵは、変数ｎに“ｎ＋１”を設定する（ステップＳ１０５）。粒子位置制御部１２は、ステップＳ１０４における制御と同様の制御を行うことにより、レーザビームの照射位置をｎ番目のトラップ座標点へ移動させる（ステップＳ１０６）。
粒子位置制御部１２は、ｎ番目のトラップ座標点及びその近辺（近傍）において、レーザビームの照射位置を設定時間分重畳移動させる（ステップＳ１０７）。

粒子位置制御部１２は、現在のトラップ座標点が図形の最終座標点か否かを判断する（ステップＳ１０８）。具体的には、粒子位置制御部１２は、変数ｎが“ｎ１（トラップ座標点の総数）”に達したか否かを判断する。図形の最終座標点でない場合には（ステップＳ１０８；Ｎｏ）、ステップＳ１０５に戻り、粒子位置制御部１２は、次のトラップ座標点にレーザビームを照射する処理を繰り返す。

図形の最終座標点である場合には（ステップＳ１０８；Ｙｅｓ）、ＰＣのＣＰＵは、外部より操作終了の指示が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０９）。操作終了の指示が入力されない場合には（ステップＳ１０９；Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻り、再度、粒子位置制御部１２は、図形の開始座標点から順にレーザビームの照射を行う。
ここでは、ステップＳ１０３からステップＳ１０８までの、図形の開始座標点から最終座標点までレーザがスキャンするサイクルは、例えば０．２秒毎に繰り返される。このように、トラップ座標点に対して繰り返しレーザビームの照射を行うことで、１本のレーザビームであっても、トラップ座標点に粒子を安定して留めておくことができる。

以上のように、トラップ照射位置に対しては、粒子を捕捉するために必要な光量でレーザビームを照射し、かつ、トラップ位置で捕捉された粒子がレーザビームの照射位置の移動に追随して移動しないようにすることができるため、試料６０に照射されるレーザビームが１本であるにも関わらず、複数の粒子各々の位置を独立に制御することができる。このように、各々の粒子を独立に制御することが可能なため、例えば、粒子間隔を任意に狭くしたり広くしたりすることが可能である。

［２．２．モーフィング制御処理］
次に、１本のレーザビームを用いて、トラップされている複数の粒子を独立に別の位置に移動させるモーフィング制御処理の動作例について説明する。
図７に示すグラフにおいては、Ｘ軸がＸ軸ミラー３１に接続されているステッピングモータの位置を表す軸であり、Ｙ軸がＹ軸ミラー３２に接続されているステッピングモータの位置を表す軸である。
図７（ａ）には、８個の粒子が“Ａ”という形状に配列されている様子を示す。番号１番の粒子の座標を（ｘ１、ｙ１）とする。図７（ｂ）には、図７（ａ）の“Ａ”の形状に配列されている粒子が並べ替えられて、“Ｉ”という形状に配列された様子を示す。ここでの番号１番の粒子の座標を（ｘ２、ｙ２）とする。

例えば、番号１番の粒子を、図７（ａ）の状態から１０秒後に図７（ｂ）の状態に移動させるためには、ｔ（０≦ｔ≦１０）秒後には、番号１番の粒子の座標は（ｘ１＋（ｘ２−ｘ１）×ｔ／１０、ｙ１＋（ｙ２−ｙ１）×ｔ／１０）で算出される。
この原理を利用したモーフィング制御の一例を、図８に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、ユーザは、例えば、ＰＣのキーボードを操作して、開始文字と終了文字と移動時間とを入力する。上述した図７に示す例の場合には、開始文字が“Ａ”、終了文字が“Ｉ”、移動時間が“１０秒”となる。

これにより、ＰＣのＣＰＵは、変数である経過時刻ｔに“０”に設定し、また、変数である移動時間ｔ１に入力された移動時間を設定する（ステップＳ２０１）。
ＰＣのＣＰＵは、メモリより、開始文字に対応する図形１（開始図形）データと終了文字に対応する図形２（終了図形）データとを読み込む（ステップＳ２０２，Ｓ２０３）。
ＰＣのＣＰＵは、ｔに単位時間（ここでは“１”）を加算する（ステップＳ２０４）。

粒子位置制御部１２は、図形１のデータと図形２のデータを構成する粒子の座標データに基づいて、経過時刻ｔにおける座標（図形３の座標）を計算する（ステップＳ２０５）。
ステップＳ２０６からステップＳ２０９においては、粒子位置制御部１２は、算出された図形３の座標に粒子を捕捉するためのトラップ座標点に対して、順次レーザビームを照射する。ステップＳ２０６からステップＳ２０９までの処理は、図６に示すステップＳ１０４からステップＳ１０８までの処理と同様であるため、重複した説明を省略する。

ステップＳ２１０において、ＰＣのＣＰＵは、経過時刻ｔが移動時間ｔ１に達したか否
かを判定する。達している場合には（ステップＳ２１０；Ｙｅｓ）、処理を終了する。達していない場合には（ステップＳ２１０；Ｎｏ）、ステップＳ２０４に戻り、粒子位置制御部１２は、次の単位時間後の図形３の座標を算出して、当該座標に粒子を捕捉するためのトラップ座標点にレーザビームの照射を行う。
このように、１本のレーザビームを用いながらも、粒子を独立に制御して同時に移動させることができるため、リアルタイム制御が可能である。

［３．変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は係る実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で様々な変形が可能である。変形例としては、例えば、以下のようなものが考えられる。
（１）上述した実施形態においては、粒子位置制御部１２は、粒子が追随しない一定の高速でレーザビームの照射位置を移動させ、トラップ照射位置においては、図３に示す方法で粒子のトラップ位置を指定するとして説明したが、これに限定されることはない。

例えば、トラップ位置を指定する方法として、図４に示した、レーザビームの照射位置の移動を停止させる方法や十分低速で移動させる方法を用いてもよい。この場合には、上述した実施形態で説明した、ＰＣに記憶されているトラップ照射位置に重畳して照射するためのプログラムを、トラップ照射位置でレーザビームの移動を停止させるためのプログラムや低速で移動させるためのプログラムに置き換えればよい。

また、他のトラップ位置を指定する方法として、直接レーザビームのパワーを強くすることにより、トラップ照射位置に照射される光量を多くしてもよい。この場合には、上述した実施形態で説明した、ＰＣに記憶されているトラップ照射位置に重畳して照射するためのプログラムにより実現される機能を、レーザ発光器１０のレーザ出力を高出力に切り替える機能に置き換えればよい。また、以上のような制御方法を任意に組み合わせて、トラップ照射位置に対する光量を多くするようにしてもよい。

また、トラップ照射位置以外における制御方法としては、高速にレーザビームの照射位置を移動させる以外に、レーザ発光器１０から出力されるレーザビームをＯＦＦとすることにより試料６０に照射される光量をゼロにしてもよい。この場合には、上述した実施形態で説明した、ＰＣに記憶されているレーザビームを高速にトラップ照射位置間を移動させるためのプログラムを、レーザ発光器１０からのレーザビームの出力を停止させる機能に置き換えればよい。

（２）上述した粒子位置制御の動作例においては、トラップ位置やトラップ照射位置を二次元座標として説明したが、三次元座標とすることも可能である。Ｚ軸方向におけるレーザビームの照射位置を制御するための機能は、Ｚ座標とＺ軸レンズ２０の駆動距離との対応関係を表すデータや、Ｚ軸レンズ２０を駆動させるためのプログラムや、Ｚ軸レンズ２０を駆動する手段を設けることによって実現することができる。

（３）粒子位置制御部１２の構成要素は、上述した実施形態に限定されない。例えば、ミラーはポリゴンミラーを用いても良いし、モータの種類もステッピングモータに限定されない。また、粒子位置制御部１２を構成するデータ内容やプログラムは一例であり、ソフトウェアの代わりにハードウェアを用いて構成するようにしてもよい。

本発明は、顕微鏡下で観察される分野全般に利用することができる。例えば、生物細胞操作、ＤＮＡ操作、マイクロマシンの組み立て、粒子の分別（血球の大きさや形によって細胞を分別するセルソータ）等に利用することができる。

本発明の実施の形態に係る粒子位置制御システムの構成を示す図である。同実施の形態に係る粒子にトラップ力が働いたときの速度を説明するための図である。同実施の形態に係るスキャニング速度を変化させずに複数のトラップ位置を指定する方法を説明するための図である。同実施の形態に係るスキャニング速度を変化させて複数のトラップ位置を指定する方法を説明するための図である。同実施の形態に係る粒子位置制御システムの機能構成を示すブロック図である。同実施の形態に係る粒子位置制御処理の一例を示すフローチャートである。（ａ）、（ｂ）は、同実施の形態に係る時間経過に応じた粒子の位置とステッピングモータの位置との関係を説明するためのグラフである。同実施の形態に係るモーフィング制御処理の一例を示すフローチャートである。

符号の説明

１粒子位置制御システム
１０レーザ発光器
１１光線発生部
１２粒子位置制御部
２０Ｚ軸レンズ
３０ガルバノミラー
３１Ｘ軸ミラー
３２Ｙ軸ミラー
４０ダイクロイックミラー
５０対物レンズ
６０試料
７０レーザカットフィルタ
８０カメラ

Claims

多数の粒子が散在する空間への１本の光線の照射位置を制御することにより、多数の粒子をそれぞれ独立に捕捉すべきトラップ位置での粒子の捕捉を制御する粒子位置制御システムにおいて、
前記空間に対して照射される前記１本の光線を出力する光線発生手段と、
前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を特定のトラップ位置で捕捉するための特定のトラップ照射位置から、他の粒子を他のトラップ位置で捕捉するための他のトラップ照射位置まで移動させる、前記１本の光線を制御する粒子位置制御手段とを備え、
前記粒子位置制御手段は、前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を特定のトラップ位置で捕捉するための特定のトラップ照射位置から、他の粒子を他のトラップ位置で捕捉するための他のトラップ照射位置まで移動させる時に、該移動させる時の速度を、前記一の粒子が前記光線の照射位置の移動に追随して移動する速度よりも速くすることを特徴とする粒子位置制御システム。
前記粒子位置制御手段は、
前記１本の光線の照射位置を、前記トラップ照射位置と該トラップ照射位置の近傍とを重畳して移動させる制御を行うことにより、前記トラップ照射位置に対して照射される光量を多くすることを特徴とする請求項１に記載の粒子位置制御システム。
前記粒子位置制御手段は、
前記１本の光線の照射位置が前記トラップ照射位置を移動する時の速度を、前記トラップ照射位置以外の位置を移動する時の速度よりも遅くする制御を行うことにより、前記トラップ照射位置に対して照射される光量を多くすることを特徴とする請求項１又は２記載の粒子位置制御システム。
多数の粒子が散在する空間に対して１本の光線を照射することにより、多数の粒子をそれぞれ独立に捕捉し、前記多数の粒子の位置制御を行う粒子位置制御方法において、
前記粒子の配列により形成すべき形状を表す図形データを読み込む図形データ読込ステップと、
前記図形データ読込ステップにおいて読み込まれた図形データに基づいて、前記粒子が存在すべき前記空間内の位置を表す位置情報を取得する位置情報取得ステップと、
前記位置情報取得ステップにおいて取得された位置情報に基づいて、１本の光線の前記空間に対する照射位置を、時間経過に応じて制御する照射位置制御ステップと
を有し、
前記照射位置制御ステップにおける前記１本の光線の照射位置制御によって、前記空間内の粒子を前記図形データで表される形状に配列し、
前記１本の光線の照射位置制御では、前記１本の光線の照射位置を、前記空間内の一の粒子を捕捉するための照射位置から、他の粒子を捕捉するための他の照射位置まで移動させる時に、該移動させる時の速度を、前記一の粒子が前記光線の照射位置の移動に追随して移動する速度よりも速くすることを特徴とする粒子位置制御方法。