JP6306856B2 - 微小体制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒質中の微小体の動きを制御する装置に関するものである。

媒質中の微小体に光渦を集光照射することで該微小体を光トラップする技術が知られている（特許文献１および非特許文献１を参照）。光渦は、伝搬軸上に位相特異点を有し、伝搬軸上では光強度が０であり、伝搬軸から或る距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。

光渦は、ドーナツ型の光強度分布を有する他、軌道角運動量を有する点でも特徴的である。軌道角運動量を有する光渦が媒質中の微小体に照射されると、その微小体は、光渦から角運動量を受け取り、伝搬軸の周りの光強度が大きい軌道に沿って回転する。すなわち、光渦は、媒質中の微小体を光トラップするとともに、微小体の運動を制御することが出来る。

特開２００８−２１６６４１号公報

Jennifer E. Curtis and David G.Grier, "Structure of Optical Vortices," Phys. Rev. Lett. 90, 133901(2003). Leach, J., Mushfique, H., Keen,S., Di Leonardo, R., Ruocco, G., Cooper, J. M. & Padgett, M. J., "Comparisonof Faxen’s correction for a microsphere translating or rotating near asurface," Phys. Rev. E 79, 026301 (2009). Peterman, E. J. G., Gittes, F.& Schmidt, C. F., "Laser-induced heating in optical traps."Biophys. J. 84, 1308-1316 (2003).

しかしながら、従来の技術では、媒質中の微小体を光渦により正確に光トラップしているか否かを評価することができない。本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光渦による微小体の光トラップの状態を評価することができる微小体制御装置を提供することを目的とする。

本発明の微小体制御装置は、媒質中の微小体の動きを制御する装置であって、光を出力する光源と、この光源から出力された光を入力して光渦を生成し出力する光渦生成部と、この光渦生成部から出力された光渦を媒質中の微小体に集光照射して微小体を光トラップする対物レンズと、対物レンズを介して微小体を撮像して画像データを出力する撮像部と、撮像部から出力された画像データに基づいて微小体の動きを解析する解析部と、対物レンズによる光渦の集光位置を対物レンズの光軸方向に移動させる移動部と、を備えることを特徴とする。

さらに、本発明の微小体制御装置では、解析部は、対物レンズによる光渦の集光位置が移動部により第１位置に設定されているときに、光渦により光トラップされた微小体を撮像した撮像部から出力された画像データに基づいて微小体の第１運動情報を取得し、対物レンズによる光渦の集光位置が光軸方向について移動部により第１位置と異なる第２位置に設定されているときに、光渦により光トラップされた微小体を撮像した撮像部から出力された画像データに基づいて微小体の第２運動情報を取得し、第１運動情報と第２運動情報とを比較することにより、光渦による微小体の光トラップの状態を評価することを特徴とする。

本発明の微小体制御装置では、光渦生成部は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において光の振幅および位相を変調して出力する空間光変調器であるのが好適である。解析部は、撮像部から出力された画像データに基づいて微小体の円運動または楕円運動を解析するのが好適である。解析部は、第１運動情報および第２運動情報それぞれとして、微小体の速度、角速度、加速度、回転半径、及びこれらから算出される物理量の少なくともいずれか１つを取得するのが好適である。解析部は、第１運動情報と第２運動情報との比較に際して、第１運動情報と第２運動情報との差が所定値以下であるか否かを評価するのが好適である。また、移動部は、光渦の集光位置を移動させるピエゾ素子を含むのが好適である。

本発明によれは、光渦による微小体の光トラップの状態を評価することができる。

微小体制御装置１の構成を示す図である。 光渦の強度分布の一例を示す図である。 光渦による微小体９１の光トラップを説明する図である。 光渦による微小体９１の光トラップを説明する図である。 実施例において光渦の集光位置を或る位置に設定したときに微小体９１を撮像した撮像部６０から出力された画像データの一例を示す図である。 実施例において光渦の集光位置の移動量と微小体の回転半径との関係を示すグラフである。 実施例において光渦の集光位置の移動量と微小体の回転半径との関係を説明ずる図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、微小体制御装置１の構成を示す図である。微小体制御装置１は、サンプル９０における媒質中の微小体の動きを制御する装置であって、光源１０、光渦生成部２０、レンズ３０〜３３、アパーチャ３４、ダイクロイックミラー４０、照明部５０、撮像部６０、解析部７０および移動部８０を備える。

サンプル９０における媒質は液体または気体である。媒質中の微小体の形状は、任意であり、例えば球体、立方体および円錐体等であってもよい。微小体の材料も、任意であり、例えばポリスチレンビーズ、ガラス、水晶等であってもよい。微小体は、媒質中において光渦により光トラップされ得る程度のサイズおよび重さを有する。

光源１０は光を出力する。光源１０はレーザ光源であるのが好ましい。光源１０から出力される光は、サンプル９０における媒質による熱吸収が小さい波長であるのが好ましい。

光渦生成部２０は、光源１０から出力された光を入力して光渦を生成し出力する。光渦生成部２０が生成する光渦は、螺旋波面を持つ光ビームであり、例えばラゲールガウスビームやベッセルビームである。光渦生成部２０として回折光学素子や空間光変調器等が好適に用いられる。空間光変調器は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において光の振幅および位相を変調して出力することができる。このような空間光変調器を光渦生成部２０として用いれば、光学系を変更することなく、様々な形態の光渦を容易に生成することができ、微小体の光トラップの状態について様々な評価をすることができる。光渦生成部２０として用いられる空間光変調器は、透過型のものであってもよいし、反射型のものであってもよく、また、後者の場合にはＬＣＯＳ-ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon - SpatialLight Modulator）であってもよい。図１では、光渦生成部２０として反射型の空間光変調器が示されている。同図では、光渦生成部２０へ光が斜め入射しているが、より垂直に近い角度で光が光渦生成部２０へ入射してもよい。

レンズ３１，アパーチャ３４，レンズ３２，ダイクロイックミラー４０および対物レンズ３０は、光渦生成部２０から出力された光渦をサンプル９０における媒質中の微小体に導く。レンズ３１およびレンズ３２は、光渦生成部２０の変調面と対物レンズ３０の瞳面とが互いに共役な位置関係になるようにし、光渦生成部２０から出力された光渦の振幅分布及び位相分布を対物レンズ３０の瞳面付近に結像させる。ダイクロイックミラー４０は、光渦生成部２０から出力される光渦を反射させる。対物レンズ３０は、光渦生成部２０から出力された光渦をサンプル９０における媒質中の微小体に集光照射して、微小体を光トラップする。なお、対物レンズ３０に入射する前の光渦の光路上にλ／４板またはλ／２板を配置して、微小体の回転形状（円、楕円形）を制御することもできる。

照明部５０は、サンプル９０を挟んで対物レンズ３０と反対の側に設けられ、サンプル９０へ照明光を出力する。照明部５０は、光源１０から出力される光の波長と異なる波長の光を出力することが好ましい。照明部５０として、白色光源、水銀ランプ、レーザ光源等が用いられる。

撮像部６０は、照明部５０により照明されたサンプル９０における微小体を、対物レンズ３０，ダイクロイックミラー４０およびレンズ３３を介して撮像して、画像データを出力する。撮像部６０として、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等が用いられる。ダイクロイックミラー４０は、照明部５０により照明されたサンプル９０からの光を透過させる。

解析部７０は、撮像部６０から出力された画像データに基づいて、サンプル９０における微小体の動きを解析する。解析部７０としてパーソナルコンピュータ等が用いられる。

移動部８０は、対物レンズ３０による光渦の集光位置を、対物レンズ３０の光軸方向に移動させる。移動部８０は、対物レンズ３０を移動させてもよいし、サンプル９０を移動させてもよい。移動部８０は、光渦生成部２０としての空間光変調器にフレネルレンズパターンを呈示することで、対物レンズ３０による光渦の集光位置を移動させてもよい。また、移動部８０は、対物レンズ３０による光渦の集光位置を、対物レンズ３０の光軸に垂直な方向に移動させてもよい。移動部８０は、光渦の集光位置の移動量を微調整することができるピエゾ素子を含むのが好適である。

図２は、光渦の強度分布の一例を示す図である。同図は、光強度を濃淡で示しており、白色に近いほど光強度が大きいことを示している。同図に示されるように、光渦は、伝搬軸から或る距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。

図３および図４は、光渦による微小体９１の光トラップを説明する図である。図３は、光渦Ｌの伝搬軸垂直な方向に見た図を示す。図４は、光渦Ｌの伝搬軸方向に見た図を示し、光渦Ｌのドーナツ状の光強度が大きい領域をハッチングで示す。サンプル９０に光渦Ｌを集光照射すると、その光渦Ｌは、サンプル９０における媒質９２中の微小体９１を光トラップすることができ、その微小体９１を伝搬軸の周りに回転させることができる。微小体９１の回転運動は円運動または楕円運動である。

本実施形態では、光渦による微小体９１の光トラップの状態を以下のようにして評価する。移動部８０は、対物レンズ３０による光渦の集光位置を第１位置に設定する。この第１位置に設定された状態で、撮像部６０は、光渦により光トラップされた微小体９１を撮像して画像データを出力し、解析部７０は、その画像データに基づいて微小体９１の第１運動情報を取得する。また、移動部８０は、対物レンズ３０による光渦の集光位置を、光軸方向について第１位置と異なる第２位置に設定する。この第２位置に設定された状態で、撮像部６０は、光渦により光トラップされた微小体９１を撮像して画像データを出力し、解析部７０は、その画像データに基づいて微小体９１の第２運動情報を取得する。そして、解析部７０は、第１運動情報と第２運動情報とを比較することにより、光渦による微小体９１の光トラップの状態を評価する。

微小体９１の第１運動情報および第２運動情報とは、速度、角速度、加速度、回転半径、及びこれらから算出される物理量の少なくともいずれか１つである。解析部７０は、第１運動情報と第２運動情報との差が所定値以下であるか否かを評価する。例えば回転半径の場合、解析部７０は、第１運動情報および第２運動情報それぞれの回転半径の差が±５％の範囲にあるか否かによって、微小体９１の光トラップの状態を評価する。

次に実施例について説明する。本実施例における光渦生成部２０では、空間光変調器を用い、表示させるホログラムはKirk-Jonesの手法で設計した。設計パラメーターは、偏角指数３、動径指数０、ビームサイズ半径１.４２mmとした。ビームサイズは、瞳面上に生成される光渦の半径が、瞳面の半径に対して、２０％以上であることが好ましい。また、本実施例におけるサンプル９０では、微小体９１として直径０.７５μｍのポリスチレンビーズを用い、媒質９２として純水を用いた。環状のスペーサを２枚のガラス板で挟み、これらにより形成した空間内に微小体および媒質を容れた。そして、媒質（純水）中に浮遊する微小体（ポリスチレンビーズ）を対物レンズ３０の一例として１００倍（ＮＡ１.３０）で集光した光渦により光トラップした。

移動部８０により光渦の集光位置を第１位置に設定して、光渦により光トラップされた微小体９１を撮像部６０により撮像して画像データを出力し、その画像データに基づいて解析部８０により微小体９１の第１運動情報を取得した。また、移動部８０により光渦の集光位置を第１位置と異なる第２位置に設定して、光渦により光トラップされた微小体９１を撮像部６０により撮像して画像データを出力し、その画像データに基づいて解析部８０により微小体９１の第２運動情報を取得した。

図５は、実施例において光渦の集光位置を或る位置に設定したときに微小体９１を撮像した撮像部６０から出力された画像データの一例を示す図である。同図に示されるように、時間の経過（０→ｔ_１→ｔ_２→…→ｔ_ｎ−１→ｔ_ｎ）とともに微小体９１が動いて回転運動をしていることが認められる。

図６は、実施例において光渦の集光位置の移動量と微小体の回転半径との関係を示すグラフである。図７は、実施例において光渦の集光位置の移動量と微小体の回転半径との関係を説明ずる図である。図７に示されるように、環状のスペーサ９５を２枚のガラス板９３，９４で挟み、これらにより形成した空間内に微小体９１および媒質９２を容れた。

微小体９１が光渦により光トラップされているならば、光軸方向に光渦の集光位置を移動させても、微小体９１の回転半径ｒの変化は小さい（図６（ｂ），図７（ｂ））。これに対して、微小体９１がガラス板９３，９４に近い位置にあり又は接している場合（図７（ａ），（ｃ））には、微小体９１の回転半径ｒの変化が大きい（図６（ａ），（ｃ））。光渦による微粒子９１のトラップが実現していない場合も、微小体９１の回転半径ｒの変化が大きい。

このように、微小体制御装置１は、対物レンズ３０の光軸方法の複数の位置それぞれで光渦を集光して微小体９１の運動情報を取得し、これら各位置での微小体９１の運動情報を比較することにより、光渦による微小体９１の光トラップの状態を評価することができる。また、微小体制御装置１は、光渦による微小体９１の光トラップの状態を評価することができることから、光渦により光トラップした微小体９１のマニピュレーションを確実に行うことができ、また、マイクロマシンの駆動源や粘性計測等にも応用することができる。

微小体制御装置１は、粘性計測に際して任意の位置で微粒子９１を回転させ続けることができるので、可動部なしで簡単に媒質９２の粘性を計測することができる。非特許文献２には、界面（例えばカバーガラス）と微小体との間の距離によって媒質の粘性抵抗値が変化することが報告されている。微小体制御装置１は、簡便な方法で、界面からの距離に対する粘性抵抗も見積もることができる。また、非特許文献３には、光トラップによって熱が生じることが報告されている。微小体制御装置１は、粘性抵抗値から温度を見積もることもできる。

１…微小体制御装置、１０…光源、２０…光渦生成部、３０〜３３…レンズ、４０…ダイクロイックミラー、５０…照明部、６０…撮像部、７０…解析部、８０…移動部、９０…サンプル、９１…微小体、９２…媒質、９３，９４…ガラス板、９５…スペーサ。

Claims (6)

1. 媒質中の微小体の動きを制御する装置であって、
   光を出力する光源と、
   この光源から出力された光を入力して光渦を生成し出力する光渦生成部と、
   この光渦生成部から出力された光渦を媒質中の微小体に集光照射して前記微小体を光トラップする対物レンズと、
   前記対物レンズを介して前記微小体を撮像して画像データを出力する撮像部と、
   前記撮像部から出力された画像データに基づいて前記微小体の動きを解析する解析部と、
   前記対物レンズによる光渦の集光位置を前記対物レンズの光軸方向に移動させる移動部と、
   を備え、
   前記解析部は、
   前記対物レンズによる光渦の集光位置が前記移動部により第１位置に設定されているときに、光渦により光トラップされた前記微小体を撮像した前記撮像部から出力された画像データに基づいて前記微小体の第１運動情報を取得し、
   前記対物レンズによる光渦の集光位置が前記光軸方向について前記移動部により前記第１位置と異なる第２位置に設定されているときに、光渦により光トラップされた前記微小体を撮像した前記撮像部から出力された画像データに基づいて前記微小体の第２運動情報を取得し、
   前記第１運動情報と前記第２運動情報とを比較することにより、光渦による前記微小体の光トラップの状態を評価する、
   ことを特徴とする微小体制御装置。
2. 前記光渦生成部は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において光の振幅および位相を変調して出力する空間光変調器である、ことを特徴とする請求項１に記載の微小体制御装置。
3. 前記解析部は、前記撮像部から出力された画像データに基づいて前記微小体の円運動または楕円運動を解析する、ことを特徴とする請求項１に記載の微小体制御装置。
4. 前記解析部は、前記第１運動情報および前記第２運動情報それぞれとして、前記微小体の速度、角速度、加速度、回転半径、及びこれらから算出される物理量の少なくともいずれか１つを取得する、ことを特徴とする請求項１に記載の微小体制御装置。
5. 前記解析部は、前記第１運動情報と前記第２運動情報との比較に際して、前記第１運動情報と前記第２運動情報との差が所定値以下であるか否かを評価する、ことを特徴とする請求項１に記載の微小体制御装置。
6. 前記移動部は、光渦の集光位置を移動させるピエゾ素子を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の微小体制御装置。