JP5979536B2 - Three-dimensional operation device for minute objects - Google Patents
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Description
本発明は、微小物の３次元操作装置に関し、特に、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、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た微小物を捕捉・操作するための３次元操作装置に関するものである。 The present invention relates to a three-dimensional manipulation device for a minute object, and in particular, a laser beam is introduced into an objective lens attached to an optical microscope and is collected in a liquid in a container by the laser beam condensed by the objective lens. The present invention relates to a three-dimensional operation device for capturing and operating an object.
液体中の微小物を非接触で捕捉・操作できる技術として、レーザ光を利用する光ピンセット法が従来から知られている。光ピンセット法の原理は、高開口数の光学顕微鏡の対物レンズを用いてレーザ光を高密度に集光し、その際に光の強度勾配によって発生する勾配力を利用して、レーザ光が集光する集光点（焦点位置）にサブミクロンから数十ミクロンサイズの微小物を捕捉するというものである。従って、この光ピンセット法を用いて微小物を３次元操作するためには、レーザ光の集光点と微小物との相対的な３次元距離を制御する必要がある。 An optical tweezer method using a laser beam is conventionally known as a technique capable of capturing and manipulating minute objects in a liquid without contact. The principle of the optical tweezers method is to focus laser light at a high density using an objective lens of an optical microscope with a high numerical aperture, and to collect the laser light by using the gradient force generated by the light intensity gradient. A minute object with a size of submicron to several tens of microns is captured at a light condensing point (focal position). Therefore, in order to three-dimensionally manipulate a minute object using this optical tweezer method, it is necessary to control the relative three-dimensional distance between the focal point of the laser beam and the minute object.
前記３次元距離を制御する方法としては、微小物を載せたステージをＸＹＺ方向に移動する方法（間接法）と、レーザ光の集光点をＸＹＺ方向に移動する方法（直接法）との２通りの方法が想定されるが、間接法では、複数のレーザ光の集光点をそれぞれ独立して制御することができず、よって、微小物の３次元並進運動および観察面内（光軸に直交する面内）の回転運動の操作しかできない。従って、あらゆる形状の微小物の３次元移動操作を可能とするには、直接法が不可欠である。 There are two methods for controlling the three-dimensional distance: a method of moving a stage on which a minute object is placed in the XYZ directions (indirect method) and a method of moving the laser light focusing point in the XYZ directions (direct method). However, in the indirect method, the condensing points of a plurality of laser beams cannot be controlled independently. Therefore, the three-dimensional translational movement of a minute object and the observation plane (on the optical axis) You can only manipulate the rotational motion in the orthogonal plane. Therefore, a direct method is indispensable to enable a three-dimensional movement operation of minute objects of any shape.
上記した直接法で、レーザ光の集光点を複数個生成し、これらの集光点の位置を独立して制御可能な方法としては、ホログラム光ピンセット法（非特許文献１）、一般位相コントラスト法（非特許文献２）、光ファイバーの束で捕捉する方法（非特許文献３）、および時分割走査型光ピンセット法（非特許文献４）などが知られている。 As a method of generating a plurality of laser beam condensing points by the above-described direct method and independently controlling the positions of these condensing points, a hologram optical tweezer method (Non-Patent Document 1), general phase contrast, and the like can be used. A method (Non-Patent Document 2), a method of capturing with a bundle of optical fibers (Non-Patent Document 3), a time-division scanning optical tweezer method (Non-Patent Document 4), and the like are known.
しかしながら、上記した方法において、ホログラム光ピンセット法は、回折の０次光が利用できないためレーザパワーの利用効率が悪い、ホログラム計算に時間がかかる、複数のレーザ光の集光点のレーザ強度を均一にすることが困難である、などの問題があった。特に、光軸方向（Ｚ方向）に異なったＺ座標を有する複数のレーザ光の集光点を生成するには非常に多大な時間を要し、また、複数の集光点のレーザ強度をすべて均一にするという点も本手法の適用に不可欠な空間光変調器の解像度の点などから困難であるため、３次元観察・作業領域での実時間操作に適用することはできなかった。 However, in the above method, the hologram light tweezers method cannot use the 0th-order diffraction light, so that the laser power is not used efficiently, it takes time to calculate the hologram, and the laser intensity at the condensing point of multiple laser beams is uniform. There were problems such as being difficult to make. In particular, it takes a very long time to generate a plurality of condensing points of laser beams having different Z coordinates in the optical axis direction (Z direction), and all the laser intensities at the plurality of condensing points are all generated. Since it is difficult to make it uniform because of the resolution of the spatial light modulator, which is indispensable for the application of this method, it cannot be applied to real-time operation in a three-dimensional observation / working area.
また、一般位相コントラスト法は、２次元型の捕捉で、３次元操作を行うには、２個の対物レンズを対向して配置する必要があり、生物試料の観察などに一般的に使用される光学顕微鏡システムに対してはそのまま適用することができない、という問題がある。また、光ファイバーの束で捕捉する方法は、分解能、操作性、コストなど多くの点で課題が多く、微小物の３次元操作に用いるには現実的ではない。 Further, the general phase contrast method is a two-dimensional type capture, and in order to perform a three-dimensional operation, it is necessary to arrange two objective lenses facing each other, which is generally used for observation of a biological sample. There is a problem that it cannot be applied to an optical microscope system as it is. In addition, the method of capturing with a bundle of optical fibers has many problems in many respects such as resolution, operability, and cost, and is not practical for use in three-dimensional manipulation of minute objects.
一方、時分割走査型光ピンセット法は、例えば２次元走査ミラーを用いて、対物レンズの後瞳面に入射するレーザ光の入射角度を高速に偏向させることで、対物レンズによって集光されるレーザ光の集光点を高速走査する方法であり、集光点の高速走査および停止を周期的に繰り返す時分割走査の結果として、複数のレーザ光の集光点を生成するという方法である。このため、光学顕微鏡外部に設置されたレーザ光源から蛍光観察に使用する落射ポートなどを利用してレーザ光を光学顕微鏡内に導入するだけの簡便さで、容易に生物試料の観察などに一般的に使用される顕微鏡システムへ適用できる、という実用上の大きな利点がある。また、レーザ光の１つの集光点を、ある指定された停止時間をおいて高速移動させることを周期的に繰り返すことで、微小物を捕捉可能な複数の光トラップ点を生成することから、生成された複数の光トラップ点のレーザ強度を均一にすることも容易である。しかし、対物レンズの後瞳面に入射するレーザ光のビーム口径を一定に保ったまま、入射ビームの状態（発散、平行、収束）を高速に制御できる方法がなかったため、均一なトラップ力を発生させながら、かつ、光軸方向すなわちＺ座標を変更できるような高速走査を行うことは困難であった。 On the other hand, the time-division scanning optical tweezers method uses a two-dimensional scanning mirror, for example, to deflect laser light incident on the rear pupil surface of the objective lens at high speed, thereby condensing the laser beam by the objective lens. This is a method of scanning a light condensing point at high speed, and a method of generating a plurality of laser light condensing points as a result of time-division scanning that periodically repeats high-speed scanning and stopping of the condensing point. For this reason, it is easy to introduce laser light into an optical microscope by using an epi-illumination port used for fluorescence observation from a laser light source installed outside the optical microscope. There is a great practical advantage that it can be applied to the microscope system used in the above. In addition, by periodically repeating high-speed movement of a single condensing point of laser light with a specified stop time, a plurality of optical trap points that can capture minute objects are generated. It is also easy to make the laser intensities of the plurality of generated optical trap points uniform. However, there is no method that can control the state of the incident beam (divergence, parallelism, convergence) at a high speed while keeping the beam diameter of the laser light incident on the back pupil plane of the objective lens constant, thus generating a uniform trapping force. It is difficult to perform high-speed scanning while changing the optical axis direction, that is, the Z coordinate.
現在、細胞などの微小物を多方向から観察したり、それらに微細作業を施すために３次元操作を行えるマイクロ作業システムの開発は、生物物理学やライフサイエンス分野における極めて重要な研究・技術課題の１つであり、非接触かつ閉鎖環境でこのような作業の行える可能性のある光ピンセット法は、特に注目されている。しかし、上述したように、これまでに研究・考案されている光ピンセット装置は、広い３次元作業空間において、均一なトラップ力を有する光トラップ点を実時間で多数生成することは困難であり、これが安定した多点光クランプによる捕捉（多点光クランプについては、非特許文献４を参照）および画像認識を利用したフィードバック制御による微小物の３次元操作技術の開発の障害となっている。また、上述したホログラム光ピンセット法や一般位相コントラスト法の適用に必要不可欠な空間光変調器は高価であり、現在広く一般的に使用されている光学顕微鏡システムに容易かつ安価に拡張光学系パーツとして利用できるマルチビーム光ピンセット装置の考案が、光ピンセット法による微小物の３次元操作技術の実用化上の課題でもあった。 Currently, the development of micro work systems that can observe microscopic objects such as cells from multiple directions and perform three-dimensional operations to perform fine work on them is an extremely important research and technical issue in the biophysics and life science fields. In particular, an optical tweezer method that can perform such a work in a non-contact and closed environment has attracted particular attention. However, as described above, the optical tweezers that have been studied and devised so far are difficult to generate a large number of optical trap points having a uniform trapping force in real time in a wide three-dimensional work space. This is an obstacle to the development of a technique for three-dimensional manipulation of a minute object by feedback control using image capturing and capture by a stable multi-point light clamp (see Non-Patent Document 4 for multi-point light clamp). In addition, the spatial light modulator that is indispensable for the application of the hologram optical tweezer method and the general phase contrast method described above is expensive, and can be easily and inexpensively used as an extended optical system part in an optical microscope system that is currently widely used. The idea of the multi-beam optical tweezers that can be used has been a problem in the practical application of the three-dimensional manipulation technique of micro objects by the optical tweezers method.
本発明は、上記問題に着目してなされたもので、第１に、光学顕微鏡下の３次元観察・作業空間内に、複数の均一なトラップ力を有する光トラップ点を実時間で生成できる微小物の３次元操作装置を提供することを目的とする。また、第２に、現在一般的に使用されている光学顕微鏡システムに容易に拡張光学系パーツとして適用でき、小型化および高精度化する際に、経済的に有利な微小物の３次元操作装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problem. First, it is a micro that can generate a plurality of optical trap points having uniform trapping force in real time in a three-dimensional observation / work space under an optical microscope. It is an object to provide a three-dimensional operation device for an object. Second, a three-dimensional operating device for minute objects that can be easily applied as an extended optical system part to an optical microscope system that is generally used at present, and is economically advantageous for downsizing and high accuracy. The purpose is to provide.
本発明の上記目的は、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次元操作装置によって達成される。 The above object of the present invention is to introduce a laser beam into an objective lens attached to an optical microscope, and to capture and manipulate minute objects contained in the liquid in the container by the laser beam condensed by the objective lens. A second image-forming optical system that has a variable focus lens and controls a focal length in a direction of an optical axis of a laser beam condensed by the objective lens by controlling a focal length of the variable focus lens A laser beam deflecting mechanism for deflecting the incident angle of the laser beam incident on the objective lens, and by controlling the incident angle, A first imaging optical system for controlling a focal position in a plane orthogonal to the optical axis of the laser beam condensed by the objective lens, and the first imaging optical system and the second imaging optical system Is incident on the variable focus lens It is accomplished by a three-dimensional operating device laser light minute substances further comprising an adjustment mechanism to keep the ratio of the laser beam diameter of the laser beam constant incident on the objective lens for the laser beam diameter of.
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 In a preferred embodiment of the present invention, the laser beam deflection mechanism is composed of a biaxial mirror, an acoustooptic device, or an electrooptic device.
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 Further, in a preferred embodiment of the present invention, the adjustment mechanism is configured such that, in the first imaging optical system, the deflection surface of the laser light deflection mechanism and the rear pupil surface of the objective lens are conjugate surfaces. In the first imaging lens disposed between the laser beam deflection mechanism and the objective lens, and in the second imaging optical system, the deflection surface of the laser beam deflection mechanism and the principal point of the variable focus lens are conjugate. The second imaging lens is arranged between the laser beam deflection mechanism and the variable focus lens so as to form a surface.
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 In a preferred embodiment of the present invention, the first imaging optical system and the second imaging optical system together constitute an equal magnification imaging optical system, and the first imaging optical system constitutes the first imaging optical system. The focal point constituting the second imaging optical system when the focal length of the first imaging lens is f 3 and the focal length of the second imaging lens constituting the second imaging optical system is f 2. The central focal length f 1 of the variable focal length variable range of the variable lens is set to a value satisfying f 1 = f 2 f 3 / (f 2 + f 3 ).
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 Further, in a preferred embodiment of the present invention, in order to adjust the laser beam diameter of the laser beam incident on the objective lens independently of the first imaging optical system and the second imaging optical system, a series connection is used. A laser beam aperture adjusting mechanism is provided at any one of the front, middle, and rear positions of the two first and second imaging optical systems.
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 In a preferred embodiment of the present invention, an electric signal sent to control the laser beam deflection mechanism constituting the first imaging optical system and the variable focus constituting the second imaging optical system. A feature is that a plurality of curved light trap fields are generated in a three-dimensional space and the shape of the light trap field is changed by temporally synchronizing with an electrical signal sent to control the lens. Yes.
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 In a preferred embodiment of the present invention, an electric signal sent to control the laser beam deflection mechanism constituting the first imaging optical system and the variable focus constituting the second imaging optical system. A plurality of isolated point type optical trap fields are generated in a three-dimensional space by temporally synchronizing with an electrical signal sent to control a lens, and the position of the optical trap field is changed. It is said.
また、本発明の好ましい実施態様においては、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している。 In a preferred embodiment of the present invention, the three-dimensional position and orientation of the minute object are determined using the captured image from the imaging means attached to the optical microscope, and a plurality of the three-dimensional space is determined based on the result. The position, posture, and movement of a minute object in a three-dimensional space are controlled by generating a curved or isolated point type optical trap field and sequentially changing the shape or position of the optical trap field. It is characterized by that.
本発明に係る微小物の３次元操作装置によれば、光学顕微鏡下の３次元観察・作業空間内に、複数の均一なトラップ力を有する光ピンセットビームを実時間で生成することができる。さらに、現在一般的に使用されている光学顕微鏡システムに容易に拡張光学系パーツとして適用できるので、小型化および高精度化する際に、経済的に有利である。 According to the three-dimensional manipulation apparatus for minute objects according to the present invention, a plurality of optical tweezer beams having a uniform trapping force can be generated in real time in a three-dimensional observation / work space under an optical microscope. Furthermore, since it can be easily applied as an extended optical system part to an optical microscope system that is generally used at present, it is economically advantageous when downsizing and high accuracy.
以下、本発明に係る微小物の３次元操作装置の実施形態を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。すなわち、レーザ光源からのコリメートされたレーザ光が、２枚の固定焦点レンズ、２軸ミラー、および１枚の焦点可変レンズで構成される光学系を経由して、光学顕微鏡の対物レンズへ導入される場合を例にとって、微小物の３次元操作装置について説明する。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a three-dimensional manipulation device for a minute object according to the present invention will be described in detail based on the attached drawings. That is, collimated laser light from the laser light source is introduced into the objective lens of the optical microscope via an optical system composed of two fixed focus lenses, a biaxial mirror, and one focus variable lens. The three-dimensional operation device for a minute object will be described by taking the case of the case as an example.
図１は、本発明に係る微小物の３次元操作装置の原理を説明するための模式的な光学配置図である。レーザ光口径ｈｉを有するコリメートされたレーザ光Ｌは、第二結像光学系を構成する焦点可変レンズ４および第二結像レンズ２を通過した後、第一結像光学系を構成するレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５で反射されて第一結像レンズ１を通過することで、対物レンズ３の後瞳位置においてレーザ光口径ｈ０を有するレーザ光として入射する。光ピンセット法は、微小物にレーザ光が照射された場合に働く光の勾配力を利用するため、大きな開口数ＮＡを有する対物レンズ３を用いるほど、また、レンズ中心からだけでなく対物レンズ３の後瞳全体からレーザ光が入射するほど、大きなトラップ力を生じさせることが知られている（例えば、光ピンセット法の原理を発見した非特許文献５を参照）。 FIG. 1 is a schematic optical layout diagram for explaining the principle of a three-dimensional manipulation device for a minute object according to the present invention. Laser light L collimated with a laser beam diameter h i passes through the variable focus lens 4 and the second imaging lens 2 constituting the second imaging optical system, a laser constituting the first imaging optical system By being reflected by the light deflection mechanism (biaxial mirror) 5 and passing through the first imaging lens 1, it enters as a laser beam having a laser beam aperture h 0 at the rear pupil position of the objective lens 3. Since the optical tweezers method uses the gradient force of light that works when a minute object is irradiated with laser light, the objective lens 3 having a larger numerical aperture NA is used, and the objective lens 3 is not only from the lens center. It is known that as the laser beam is incident from the entire rear pupil, a larger trapping force is generated (for example, see Non-Patent Document 5 in which the principle of the optical tweezer method is discovered).
したがって、光学顕微鏡の対物レンズ３にレーザ光を導入して光ピンセット法を実現する際には、導入するレーザ光の口径は、できる限り対物レンズ３の後瞳径に一致するよう光学系を配置することが重要である。ここで、対物レンズ３で集光されるレーザ光Ｌ’の集光点（焦点位置）０を、光軸に対して直交する方向（Ｘ，Ｙ方向）あるいは光軸方向（Ｚ方向）へ変位させるためには、導入するレーザ光を対物レンズ３の後瞳位置において、光軸に対して傾斜角度θ０で入射させること、および、レーザ光の状態をコリメート光から発散光あるいは収束光に変えることが必要となる。このような対物レンズ３の後瞳位置での入射レーザ光の状態を制御する方法として、まず、光軸に対して所定の傾斜角度θ０でレーザ光を入射させるためには、ガルバノミラーによる偏向を用いることが可能である（例えば、特許文献１を参照）。また、レーザ光の状態をコリメート光から発散光あるいは収束光に変える方法としては、第二結像光学系を構成するレンズを光軸方向に動かす方法（例えば特許文献１を参照）や焦点可変レンズを用いる方法（例えば特許文献２，３を参照）などがすでに知られている。 Therefore, when the optical tweezer method is realized by introducing laser light into the objective lens 3 of the optical microscope, the optical system is arranged so that the diameter of the laser light to be introduced matches the rear pupil diameter of the objective lens 3 as much as possible. It is important to. Here, the condensing point (focal position) 0 of the laser beam L ′ collected by the objective lens 3 is displaced in the direction orthogonal to the optical axis (X, Y direction) or the optical axis direction (Z direction). For this purpose, the laser beam to be introduced is made incident at the rear pupil position of the objective lens 3 at an inclination angle θ 0 with respect to the optical axis, and the state of the laser beam is changed from collimated light to divergent light or convergent light. It will be necessary. As a method for controlling the state of the incident laser beam at the rear pupil position of the objective lens 3, first, in order to make the laser beam incident at a predetermined inclination angle θ 0 with respect to the optical axis, deflection by a galvanometer mirror is performed. Can be used (see, for example, Patent Document 1). Further, as a method of changing the state of the laser light from collimated light to divergent light or convergent light, a method of moving a lens constituting the second imaging optical system in the direction of the optical axis (see, for example, Patent Document 1) or a focus variable lens There are already known methods (for example, see Patent Documents 2 and 3).
しかし、上記したガルバノミラーを使用してレーザ光のＸＹ方向の変位を生じさせる方法と、焦点可変レンズを使用してレーザ光のＺ方向の変位を生じさせる方法とを単に直列に接続しただけの光学系では、対物レンズ３の後瞳面に入射するレーザ光のレーザ光口径を一定に保ったまま、その入射角度およびそのビーム状態（発散、平行、収束）の両方を独立に制御できない。したがって、上述したように、対物レンズ３で集光されるレーザ光Ｌ’の集光点（焦点位置）Ｏの３次元空間における座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を独立に制御し、かつ、複数の集光点（焦点位置）に対して安定して一定のレーザパワーを照射して均一のトラップ力を生じさせることができない。 However, the above-described method of causing the laser beam displacement in the XY direction using the galvano mirror and the method of causing the laser beam displacement in the Z direction using the variable focus lens are simply connected in series. In the optical system, both the incident angle and the beam state (divergence, parallel, convergence) cannot be controlled independently while keeping the laser beam diameter of the laser beam incident on the rear pupil surface of the objective lens 3 constant. Therefore, as described above, the coordinates (X, Y, Z) in the three-dimensional space of the condensing point (focal position) O of the laser light L ′ collected by the objective lens 3 are independently controlled, and a plurality of It is impossible to generate a uniform trapping force by stably irradiating a constant laser power to the condensing point (focal position).
一方、本発明に係る微小物の３次元操作装置においては、第一結像レンズ１を、光学顕微鏡の対物レンズ３およびレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５の間に、対物レンズ３の後瞳面とレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５の偏向面とが共役関係になるように配置することで、レーザ光のビーム状態（発散、平行、収束）に関わらず、２軸ミラー５の偏向面でのレーザ光口径ｈｇと対物レンズ３の後瞳面でのレーザ光口径ｈ０とを一定の比に保ったまま、対物レンズ３の後瞳面に入射するレーザ光の入射角度θ０を制御することができる。 On the other hand, in the microscopic three-dimensional operation device according to the present invention, the first imaging lens 1 is placed between the objective lens 3 of the optical microscope and the laser beam deflection mechanism (biaxial mirror) 5 after the objective lens 3. By disposing the pupil plane and the deflection plane of the laser beam deflection mechanism (biaxial mirror) 5 in a conjugate relationship, regardless of the beam state (divergence, parallel, convergence) of the laser beam, The incident angle θ of the laser light incident on the rear pupil surface of the objective lens 3 while maintaining a constant ratio between the laser light aperture h g on the deflection surface and the laser light aperture h 0 on the rear pupil surface of the objective lens 3. 0 can be controlled.
つぎに、第二結像レンズ２を、焦点可変レンズ４およびレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５の間に、焦点可変レンズ４の主点とレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５の偏向面とが共役関係になるように配置することで、焦点可変レンズ４の焦点距離の値に関わらず、焦点可変レンズ４に入射するコリメートレーザ光Ｌのレーザ光口径ｈｉと２軸ミラー５の偏向面でのレーザ光口径ｈｇとを一定の比に保つことができる。したがって、焦点可変レンズ４の焦点距離を制御することで、レーザ光偏向機構（２軸ミラー）５におけるレーザ光口径ｈｇを一定の比に保ったまま、レーザ光偏向機構（２軸ミラー）５で偏向されるレーザ光のビーム状態（発散、平行、収束）を制御することができる。 Next, the second imaging lens 2 is placed between the focus variable lens 4 and the laser beam deflection mechanism (biaxial mirror) 5 so that the principal point of the focus variable lens 4 and the laser beam deflection mechanism (biaxial mirror) 5 are deflected. by surface and is arranged such that a conjugate relationship, regardless of the value of the focal length of the variable focus lens 4, the collimated laser beam L incident on the focus variable lens 4 of the laser beam diameter h i and biaxial mirror 5 it can be maintained and the laser beam diameter h g of the deflection surface at a constant ratio. Thus, by controlling the focal length of the variable focus lens 4, while the laser beam diameter h g in laser beam deflection mechanism (two-axis mirror) 5 was kept constant ratio, the laser beam deflection mechanism (two-axis mirror) 5 It is possible to control the beam state (divergence, parallelism, convergence) of the laser light deflected by.
以上の原理より、本発明に係る微小物の３次元操作装置では、第一および第二結像レンズ１，２が、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構成している。よって、第一結像光学系および第二結像光学系を直列に接続することで、コリメートレーザ光Ｌのレーザ光口径ｈｉと対物レンズ３の後瞳面でのレーザ光口径ｈ０とを一定の比に保ったまま、対物レンズ３の後瞳面におけるレーザ光の入射角度θ０およびレーザ光のビーム状態（発散、平行、収束）を、レーザ光偏向機構５および焦点可変レンズ４を用いて独立に制御することができる。よって、対物レンズ３で集光されるレーザ光Ｌ’の集光点（焦点位置）Ｏの３次元空間における座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を独立に制御し、かつ、複数の集光点（焦点位置）Ｏに対して一定のレーザパワーを照射して安定したトラップ力を発生させることが可能となる。 The principle described above, a three-dimensional operating system for a microstructure consistent with the present invention, the first and second imaging lenses 1 and 2, the objective lens 3 with respect to the laser beam diameter h i of the laser beam incident on the variable focus lens 4 constitute an adjustment mechanism to keep constant the ratio of the laser beam diameter h 0 of the incident laser beam. Therefore, by connecting the first imaging optical system and the second imaging optical system in series, the laser beam aperture h i of the collimated laser beam L and the laser beam aperture h 0 at the rear pupil surface of the objective lens 3 are obtained. While maintaining the constant ratio, the laser beam incident angle θ 0 on the rear pupil surface of the objective lens 3 and the beam state (divergence, parallel, convergence) of the laser beam are used using the laser beam deflection mechanism 5 and the variable focus lens 4. Can be controlled independently. Therefore, the coordinates (X, Y, Z) in the three-dimensional space of the condensing point (focal position) O of the laser light L ′ collected by the objective lens 3 are independently controlled, and a plurality of condensing points ( It is possible to generate a stable trapping force by irradiating a constant laser power to the focal point (O).
次に、本発明に係る微小物の３次元操作装置の実施の形態について説明すると、図１に示すように、第一結像光学系を構成する顕微鏡対物レンズ３、第一結像レンズ１（その焦点距離をｆ３とする）、およびレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５のそれぞれ間隔を、第一結像レンズ１の焦点距離の２倍、すなわち２ｆ３とすれば、対物レンズ３の後瞳面とレーザ光偏向機構（２軸ミラー）５の偏向面とが等倍の結像光学系を構成する。したがって、２軸ミラー５の偏向面でのレーザ光口径ｈｇと対物レンズ３の後瞳面でのレーザ光口径ｈ０とは等しくなり、また、レーザ光偏向機構（２軸ミラー）５の振れ角θｇと対物レンズ３の後瞳面へのレーザ光の入射角度θ０も等しくなる。よって、光学顕微鏡の対物レンズ３は、fθレンズの働きをするので、対物レンズ３の焦点距離をｆ０、光軸に対して直交する方向ＸＹへの変位をδＸＹとした時、以下の式１を満たす。 Next, an embodiment of a three-dimensional manipulation device for a minute object according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, a microscope objective lens 3 and a first imaging lens 1 ( to the focal length f 3), and each interval of the laser beam deflection mechanism (two-axis mirror) 5, twice the first focal length of the imaging lens 1, i.e. if 2f 3, the objective lens 3 The rear pupil plane and the deflection plane of the laser beam deflection mechanism (biaxial mirror) 5 constitute an equal-magnification imaging optical system. Therefore, the laser beam aperture h g at the deflection surface of the biaxial mirror 5 and the laser beam aperture h 0 at the rear pupil surface of the objective lens 3 are equal, and the laser beam deflection mechanism (biaxial mirror) 5 is shaken. The angle θ g and the incident angle θ 0 of the laser beam on the rear pupil surface of the objective lens 3 are also equal. Therefore, since the objective lens 3 of the optical microscope functions as an fθ lens, when the focal length of the objective lens 3 is f 0 and the displacement in the direction XY perpendicular to the optical axis is δ XY , 1 is satisfied.
一方、対物レンズ３の像面と入射レーザ光の光軸方向（Ｚ方向）の焦点深さ（Ｚ座標）とが一致するためには、対物レンズ３の後瞳面に入射するレーザ光がコリメートされる必要がある。このコリメート条件を、焦点可変レンズ４の主点およびレーザ光偏向機構５の偏向面がＭ−１倍の共役面であるという制約条件と、第一結像レンズ１およびレーザ光偏向機構５の偏向面間の間隔が２ｆ３であるという制約条件との下で求めると、第二結像レンズ２およびレーザ光偏向機構５の偏向面間の間隔をｄ２ｇ、焦点可変レンズ４および第二結像レンズ２の間隔をｄ１２、焦点可変レンズ４の焦点距離可変範囲の中心焦点距離（つまりは、焦点距離が変化する可変範囲の中心近辺の焦点距離）をｆ１、第二結像レンズ２の焦点距離をｆ２、第一結像レンズ１の焦点距離をｆ３とした時、以下の式２〜式４を満たす。 On the other hand, in order for the image plane of the objective lens 3 and the focal depth (Z coordinate) in the optical axis direction (Z direction) of the incident laser light to coincide with each other, the laser light incident on the rear pupil surface of the objective lens 3 is collimated. Need to be done. The collimating condition is that the principal point of the variable focus lens 4 and the deflection surface of the laser beam deflection mechanism 5 are M-1 times conjugate surfaces, and the deflection of the first imaging lens 1 and the laser beam deflection mechanism 5. When obtained under the constraint that the distance between the surfaces is 2f 3 , the distance between the deflection surfaces of the second imaging lens 2 and the laser beam deflection mechanism 5 is d 2g , the variable focus lens 4 and the second imaging. The distance between the lenses 2 is d 12 , the central focal length of the focal length variable range of the variable focal length lens 4 (that is, the focal length near the center of the variable range where the focal length changes) f 1 , and the second imaging lens 2 When the focal length is f 2 and the focal length of the first imaging lens 1 is f 3 , the following expressions 2 to 4 are satisfied.
故に、第二結像光学系も等倍の結像光学系とする場合は、式２〜式４にＭ＝２を代入することにより、焦点可変レンズ４の焦点距離可変範囲の中心焦点距離ｆ１を以下の式５を用いて設定すればよい。なお、焦点可変レンズ４の焦点距離の前記中心焦点距離ｆ１からの変化量をδｆ１（図１に示す）とし、対物レンズ３を通過後のレーザ光の焦点位置の変化量をδｚとすると、以下の式６を満たす。 Therefore, when the second imaging optical system is also an equal-magnification imaging optical system, by substituting M = 2 into Equations 2 to 4, the central focal length f of the focal length variable range of the variable focus lens 4 is obtained. 1 may be set using Equation 5 below. Note that the amount of change of the focal length of the variable focus lens 4 from the central focal length f 1 is δf 1 (shown in FIG. 1), and the amount of change of the focal position of the laser light after passing through the objective lens 3 is δz. The following formula 6 is satisfied.
以上より、レーザ光偏向機構５の振れ角θｇと焦点可変レンズ４の焦点距離（前記中心焦点距離ｆ１からの変化量δｆ１）とを変化させることで、上記式１および式６によって算出できる量だけ、対物レンズ３を通過後のレーザ光Ｌ’の焦点位置Ｏを変化させることができる。この時、対物レンズ３の後瞳位置におけるレーザ光の口径ｈ０は焦点可変レンズ４へ入射前のコリメートされたレーザ光Ｌの口径ｈｉに常に等しいので、対物レンズ３を通過後のレーザ光Ｌ’の焦点位置Ｏに関わらず、各集光点（光トラップ点）のトラップ力を常に一定とすることができ、その結果、安定した光ピンセット３次元操作が可能となる。 As described above, by changing the focal length of the deflection angle theta g and variable focus lens 4 of the laser beam deflection mechanism 5 (the center focal length variation delta] f 1 from f 1), calculated by the formula 1 and formula 6 The focal position O of the laser light L ′ after passing through the objective lens 3 can be changed by the possible amount. At this time, the aperture h 0 of the laser beam at the rear pupil position of the objective lens 3 is always equal to the aperture h i of the collimated laser beam L before being incident on the variable focus lens 4, so that the laser beam after passing through the objective lens 3. Regardless of the focal position O of L ′, the trapping force of each condensing point (light trap point) can be kept constant, and as a result, stable optical tweezers three-dimensional operation is possible.
なお、以上の説明においては、第一結像光学系および第二結像光学系に用いる結像レンズは、それぞれ１枚の両凸レンズとしたが、同等の効果を有するように配置された組み合わせレンズ系であってもよいことは勿論である。 In the above description, the imaging lenses used in the first imaging optical system and the second imaging optical system are each a single biconvex lens, but are combined lenses arranged to have the same effect. Of course, it may be a system.
レーザ光源のレーザパワーをトラップ力として最大限に利用するためには、対物レンズ３の後瞳面でのレーザ光口径ｈ０と対物レンズ３の後瞳口径とを一致させることが重要である。この条件を満たすために、第一結像光学系および第二結像光学系の像の転送比を等倍から変更することができる。このための方法としては、上記式２〜式４を用いて、第二結像光学系の倍率のみを変更する方法が可能であり、容易かつ経済的な最良の実施形態の１つである。また、第一結像光学系および第二結像光学系の像の転送比率とは独立に対物レンズ３の後瞳面でのレーザ光口径ｈ０を調整するために、直列接続された２つの第一および第二結像光学系の前段（可変焦点レンズ４の前段）、中間（第二結像レンズ２および２軸ミラー５の間）、後段（第一結像レンズ１および対物レンズ３の間）のいずれかの位置にレーザ光口径調整機構（ビームエキスパンダ）を備えることも可能である。 In order to make maximum use of the laser power of the laser light source as a trapping force, it is important to match the laser light aperture h 0 on the rear pupil surface of the objective lens 3 with the rear pupil aperture of the objective lens 3. In order to satisfy this condition, the image transfer ratio of the first imaging optical system and the second imaging optical system can be changed from the same magnification. As a method for this, a method of changing only the magnification of the second image-forming optical system using the above formulas 2 to 4 is possible, which is one of the best embodiments that is easy and economical. Further, in order to adjust the laser beam aperture h 0 on the rear pupil surface of the objective lens 3 independently of the image transfer ratio of the first imaging optical system and the second imaging optical system, First stage of the first and second imaging optical systems (front stage of the variable focus lens 4), middle stage (between the second imaging lens 2 and the biaxial mirror 5), and rear stage (of the first imaging lens 1 and the objective lens 3) It is also possible to provide a laser beam aperture adjusting mechanism (beam expander) at any of the positions.
本実施形態において、直列接続された２つの第一および第二結像光学系内に組み入れられた焦点可変レンズ４およびレーザ光偏向機構５の周波数帯域を、それぞれ１００Ｈｚ以上、（すなわち、応答時間１０ｍ秒以内）とし、これらへ指令を送る電気信号の発生・変更・停止を時間的に同期させることで、３次元空間において座標（Ｘ，Ｙ，Ｚ）の異なる光トラップ点（すなわち、孤立点型の光トラップ場）や３次元曲線型の光トラップ場を均一なトラップ力で複数個生成することができる。なお、この際の指令電気信号の発生・変更・停止の時間配分を調整することで、トラップ力がそれぞれ異なった所望の値を有する光トラップ点を複数個生成することも可能である。 In the present embodiment, the frequency bands of the variable focus lens 4 and the laser beam deflection mechanism 5 incorporated in the two first and second imaging optical systems connected in series are 100 Hz or more (that is, a response time of 10 m). Within 3 seconds), the generation, change, and stop of electrical signals that send commands to these are synchronized in time, so that optical trap points with different coordinates (X, Y, Z) in three-dimensional space (ie, isolated point types) And a plurality of three-dimensional curved optical trap fields can be generated with a uniform trapping force. It is also possible to generate a plurality of optical trap points having desired values with different trapping forces by adjusting the time distribution of generation, change, and stop of the command electric signal at this time.
次に、実施例により本発明をより詳細に説明する。 Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples.
（１）実施例１
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。
(1) Example 1
FIG. 2 is an apparatus configuration diagram showing an example of a three-dimensional manipulation apparatus for minute objects according to an embodiment of the present invention. In the first embodiment, both the first imaging optical system and the second imaging optical system constitute an equal magnification (1 ×) imaging optical system, and the beam expander 14 is disposed in the preceding stage. The laser beam aperture of the laser beam 13 output from the laser light source 12 is set to the laser beam aperture h i of the collimated laser beam incident on the variable focus lens 4, that is, the laser beam aperture h 0 on the rear pupil surface of the objective lens 3. It is expanding. In addition, the laser light that has passed through the first imaging lens 1 and is in a substantially collimated state is introduced into the optical microscope 8 from the epi-illumination port 9, reflected by the dichroic mirror 22 installed in the optical microscope 8, Guided to the attached objective lens 3. Further, as the laser beam deflection mechanism 5, a biaxial gimbal mirror is employed.
本実施例１では、制御装置１６を用いて、レーザ光の焦点位置走査の停止および変更を周期的に繰り返す時分割走査制御のための指令電気信号を焦点可変レンズ４および２軸ミラー５へ与えることで、光軸に対して直交する方向（ＸＹ方向）へ変位されたレーザ光６や、光軸方向（Ｚ方向）へ変位されたレーザ光７などを同時に複数生成することができる。そして、これら異なった３次元座標を有する各々のレーザ光の集光点（焦点位置）で、１個ずつ液体２１中に含まれる微小物２０を同時に捕捉（トラップ）することができる。なお、同期時分割走査の停止時間は、１ミクロン〜１０ミクロンの微小物に対しては、１０ミリ秒〜２０ミリ秒が適当である。 In the first embodiment, a command electric signal for time-division scanning control is given to the variable focus lens 4 and the biaxial mirror 5 by using the control device 16 to periodically stop and change the focal position scanning of the laser light. Thus, a plurality of laser beams 6 displaced in the direction orthogonal to the optical axis (XY direction) and laser beams 7 displaced in the optical axis direction (Z direction) can be generated simultaneously. Then, the minute objects 20 contained in the liquid 21 can be simultaneously captured (trapped) one by one at the condensing points (focal positions) of the laser beams having different three-dimensional coordinates. The stop time of the synchronous time-division scanning is appropriately 10 milliseconds to 20 milliseconds for a minute object of 1 to 10 microns.
この時の様子は、光学顕微鏡８に取り付けたカメラ１１により実時間画像として観察できる。また、この実時間画像を画像処理装置１７を用いて逐次、画像処理することで、液体２１中に含まれる微小物２０の３次元位置および姿勢を決定し、その結果に基づいて、光トラップ場の発生と位置および形状の変更を行うことができる。その結果、３次元空間内での複数の微小物の位置・姿勢・運動を制御することもできる。なお、この際の画像処理は、エッジ抽出フィルターや一般化ハフ変換などの、微小物の位置や姿勢、形状を認識できる公知の各種認識手法が利用可能である。 The situation at this time can be observed as a real-time image by the camera 11 attached to the optical microscope 8. In addition, the real-time image is sequentially processed using the image processing device 17 to determine the three-dimensional position and orientation of the minute object 20 contained in the liquid 21, and based on the result, the optical trap field Generation and change of position and shape. As a result, the position / posture / movement of a plurality of minute objects in the three-dimensional space can be controlled. For the image processing at this time, various known recognition methods that can recognize the position, posture, and shape of a minute object such as an edge extraction filter and a generalized Hough transform can be used.
（２）実施例２
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。
(2) Example 2
FIG. 3 is a diagram showing a system of the apparatus configuration of FIG. 2, using a 100-times oil immersion objective lens 3 mounted on the optical microscope 8, and eight spherical minute objects (glass spheres: about 2 microns) in the liquid 21. ) 20 is a microscope image obtained by imaging the process of simultaneously operating the optical tweezers three-dimensionally. A time-division scan with a stop time of 15 milliseconds is performed to generate eight optical trap points having different three-dimensional coordinates, as shown in FIG. 3A, and one minute object is added to each optical trap point. Captured (FIG. 3 (b)). Thereafter, command electric signals transmitted from the control device 16 to the variable focus lens 4 and the biaxial mirror 5 are sequentially used by using the mouse and the keyboard 19 while referring to the microscope real-time images sequentially acquired by the camera 11 by the image monitor 18. It was changed and rotated three-dimensionally around the XYZ axes. FIG. 3C shows a state of rotation around the X axis, and FIG. 3D shows a state of rotation around the X axis after rotation around the Z axis. By using the apparatus of the form shown in the first embodiment as in the second embodiment, a plurality of minute objects 21 can be freely and freely operated in a three-dimensional space at the same time. In the second embodiment, an example in which a human performs a three-dimensional manual operation is shown. However, by using a known image recognition method capable of recognizing the position, posture, and shape of the minute object 21, such work is performed. Can automate all necessary steps from object recognition and capture to 3D manipulation. In the second embodiment, the case of the spherical minute object 21 is shown. However, by applying a multi-point light clamping method or the like known in Non-Patent Document 4 at the time of capturing, the non-spherical minute object 21 is used. Can be stably captured in a three-dimensional space, and micro-operation with six degrees of freedom of translation and rotation can be performed.
本発明に係る微小物の３次元操作装置よると、対物レンズ３で集光されるレーザ光の集光点（焦点位置）に形成される光トラップ点を、その３次元位置に関係なく、トラップ力を一定にして生成することが可能となり、また、装置内の焦点可変レンズ４およびレーザ光偏向機構５により、レーザ光の集光点（焦点位置）を高速に３次元時分割同期走査することで、トラップ力の均一な複数のトラップ点を自由自在に生成・制御することができる。その結果、光ピンセットおよび多点光クランプの原理により、容器内の液体２０に含まれる微小物２１を均一な力で安定して捕捉し、自由自在に３次元操作（３次元移動と３次元回転）することが可能となり、また、３次元マイクロ操作を必要とする、すべての研究および産業分野へ、簡便かつ経済的に有利なマルチビーム光ピンセット装置を提供することが可能となる。 According to the three-dimensional manipulation device for a minute object according to the present invention, an optical trap point formed at a condensing point (focal position) of a laser beam condensed by the objective lens 3 can be trapped regardless of the three-dimensional position. It is possible to generate the force with a constant force, and the focal point of the laser beam (focal position) can be scanned at high speed in a three-dimensional time-division manner by the variable focus lens 4 and the laser beam deflection mechanism 5 in the apparatus. Thus, a plurality of trap points with uniform trapping force can be freely generated and controlled. As a result, according to the principle of optical tweezers and multi-point light clamp, the minute object 21 contained in the liquid 20 in the container is stably captured with a uniform force, and can be freely operated in three dimensions (three-dimensional movement and three-dimensional rotation). In addition, it is possible to provide a multi-beam optical tweezer device that is simple and economically advantageous for all research and industrial fields that require three-dimensional micromanipulation.
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態の構成に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、レーザ光偏向機構５は、電気信号によりレーザ光を２次元に偏向できる機能を有する、２軸ガルバノミラー、音響光学素子、電気光学素子などが利用可能である。また、１軸の偏向機能しかない前記素子を２つ組み合わせることにより２軸偏向可能な素子として利用可能であるのは勿論である。さらに、光トラップ用光源に関しては、レーザ光の発振モード（連続、パルス）、ビームプロファイル（TEM00、TEM01など）、ビームの偏光状態（直線偏光、円偏光）、位相状態に関係なく本発明に適用可能であり、前記レーザ光を最適に光学顕微鏡８内に導入するための光学系の増設、構成変更は、この発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更しうるものであることは勿論である。 Although the embodiment of the present invention has been described above, the present invention is not limited to the configuration of the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. For example, the laser beam deflection mechanism 5 can use a biaxial galvanometer mirror, an acoustooptic device, an electrooptic device, or the like having a function capable of two-dimensionally deflecting the laser beam using an electrical signal. Of course, it can be used as an element capable of biaxial deflection by combining two elements having only a uniaxial deflection function. Furthermore, with regard to the light source for optical traps, it can be applied to the present invention regardless of the laser light oscillation mode (continuous, pulse), beam profile (TEM00, TEM01, etc.), beam polarization state (linear polarization, circular polarization), and phase state. Of course, the addition and configuration change of the optical system for optimally introducing the laser beam into the optical microscope 8 can be changed as appropriate without departing from the spirit of the present invention. .
Ｌ、Ｌ’ レーザ光
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
L, L ′ Laser beam 1 First imaging lens 2 Second imaging lens 3 Microscope objective lens 4 Focus variable lens 5 Laser beam deflection mechanism (biaxial mirror)
6 Laser light displaced in the (XY) direction perpendicular to the optical axis 7 Laser light displaced in the optical axis (Z) direction 8 Optical microscope 9 Episcopic port 10 of the microscope Imaging lens 11 for observation in the microscope Camera 12 Laser light source 13 Laser light 14 from the laser light source Beam expander 15 Electromagnetic shutter 16 Control device 17 Image processing device 18 Image monitor 19 Mouse and keyboard 20 Minute object 21 contained in liquid 21 Liquid 22 filled in container 22 Dichroic mirror
Claims (8)
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。 An apparatus for introducing a laser beam into an objective lens attached to an optical microscope, and capturing and manipulating a minute object contained in a liquid in the container by the laser beam condensed by the objective lens,
A second imaging optical system that has a variable focus lens and controls the focal length in the optical axis direction of the laser beam condensed by the objective lens by controlling the focal length of the variable focus lens;
The second imaging optical system is connected in series and has a laser beam deflection mechanism that deflects the incident angle of the laser beam incident on the objective lens. By controlling the incident angle, the objective lens A first imaging optical system that controls a focal position in a plane orthogonal to the optical axis of the focused laser beam;
The first imaging optical system and the second imaging optical system are adjusted to keep a ratio of a laser beam aperture of the laser beam incident on the objective lens to a laser beam aperture of the laser beam incident on the variable focus lens constant. A three-dimensional manipulation device for a minute object, further comprising a mechanism.
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。 In the first imaging optical system, the adjustment mechanism is arranged between the laser light deflection mechanism and the objective lens so that a deflection surface of the laser light deflection mechanism and a rear pupil surface of the objective lens are conjugate surfaces. A first imaging lens arranged in
In the second imaging optical system, the laser beam deflection mechanism and the variable focus lens are arranged between the laser beam deflection mechanism and the variable focus lens so that the deflection surface of the laser beam deflection mechanism and the principal point of the variable focus lens are conjugate surfaces. The three-dimensional manipulation device for a minute object according to claim 1 or 2, comprising a second imaging lens.
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。 Both the first imaging optical system and the second imaging optical system constitute an equal-magnification imaging optical system,
When the focal length of the first imaging lens constituting the first imaging optical system is f 3 and the focal length of the second imaging lens constituting the second imaging optical system is f 2 ,
The central focal length f 1 of the focal length variable range of the focal length variable lens constituting the second imaging optical system is set to a value satisfying f 1 = f 2 f 3 / (f 2 + f 3 ). The three-dimensional manipulation device for a minute object according to claim 3.
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。 Determine the three-dimensional position and orientation of the minute object using the captured image from the imaging means attached to the optical microscope,
Based on the result, a plurality of curved or isolated point type optical trap fields are generated in the three-dimensional space, and the shape or position of the optical trap field is sequentially changed, so that three-dimensional The three-dimensional manipulation device for a minute object according to claim 6 or 7, wherein position, posture, and movement in a space are controlled.
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