KR101302710B1

KR101302710B1 - 복수의 광 트랩을 사용하는 광 조작 시스템

Info

Publication number: KR101302710B1
Application number: KR1020077023135A
Authority: KR
Inventors: 제스퍼 글룩스타드
Original assignee: 덴마크스 텍니스케 유니버시테트
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2006-03-11
Publication date: 2013-09-03
Also published as: US20080231939A1; AU2006224935B2; US7622710B2; JP4996594B2; JP2008533531A; CA2601739A1; ATE457070T1; DE602006012111D1; WO2006097101A1; EP1864176B1; AU2006224935A1; KR20080014738A; EP1864176A1; CA2601739C

Abstract

본 발명은, 미세 물체 조작 체적(14) 내에서 전자기 방사력을 사용하여 나노 물체를 포함하는 미세 물체의 조작을 위해 복수의 광 트랩을 생성하기 위한 광 조작 시스템(10)에 관한 것으로, 이 시스템은 공간적으로 변조된 강도를 갖는 제 1 광 빔(24)의 방출을 위한 공간적으로 변조된 광원(16)을 포함하고, 상기 제 1 빔은 제 2(28) 및 제 3(30) 강도의 변조된 광 빔을 생성하기 위한 조절 가능한 공간 광 변조기(26)를 향해 전파되고, 상기 제 2 강도의 변조된 광 빔은, 상기 제 2 광 빔을 미세 물체 조작 체적(14)을 향해 편향시키기 위한 제 1 편향기(32)를 향해 전파되고, 상기 제 3 강도의 변조된 광 빔은, 상기 제 3 광 빔을 상기 미세 물체 조작 체적(14)을 향해 편향시키기 위한 제 2 편향기(34)를 향해 전파된다. 일 실시예에 있어서, 광 조작 시스템은 실질적으로 동일한 전파 축을 따르지만 반대 방향으로 전파되는 빔 세트, 소위 대응 전파 빔을 제공함으로써, 미세 물체를 속박하기 위하여 빔의 전파 축을 따라 상당한 속박력을 형성한다.

Description

복수의 광 트랩을 사용하는 광 조작 시스템{OPTICAL MANIPULATION SYSTEM USING A PLURALITY OF OPTICAL TRAPS}

본 발명은 전자기 방사력을 사용하여 입자, 미세부품, 생물세포, 박테리아, 나노튜브 및 원자의 집합체 등과 같은 나노-물체를 포함하는 미세-물체의 조작에 관한 것이다.

대략적으로 가우시안 강도 프로파일(Gaussian intensity profile)을 갖는 강력하게 집속된 레이저 빔 내에서 방사선 압력의 산란력(scattering force) 성분 및 경도력(gradient force) 성분이 결합되어, 레이저 빔의 초점에 가깝게 위치한 안정된 평형점을 제공한다. 산란력은 광 강도에 비례하고, 입사 레이저 광의 방향에서 작용한다. 경도력은 광 강도에 비례하고 강도 기울기의 방향에서 작용한다.

집속된 광 빔 내의 광 경도력이 광 빔의 초점에서 작은 미세-물체를 속박하기 때문에, 이러한 효과는 소위 광 집게(optical tweezer) 또는 광 트랩에서 사용된다. 미세 물체는 전형적으로, 미세 물체의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유체 매질 내에 잠긴다. 광 집게 기술은 반사성이고 흡수성이며 유전상수가 낮은 미세 물체의 조작을 가능케 하기 위하여 일반화되었다. 전형적으로, 주변의 굴절률보다 높은 굴절률을 가진 미세 물체를 속박하는데 가우시안 빔이 사용되는 반면, 주변의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가진 미세 물체를 속박하기 위해서는 도너츠 빔(donut beam)을 사용한다.

미국특허 US 4,893,886호에는 생물 미세 물체를 위한 광 트랩이 개시되었는데, 여기에서 생물 미세 물체는 적외선 레이저를 사용하는 단일-빔 경도력 트랩 내에서 유지된다.

미국특허 US 6,055,106호에는 미세 물체를 조작하기 위한 장치가 개시되었는데, 이 장치는 광 빔을 수용하여 복수의 개별 광 빔을 형성하기 위한 회절 광학 요소를 포함하고, 이들 개별 광 빔은 각각, 초점이 맞춰져 개별적인 광 트랩 또는 집게를 형성한다.

본 발명의 목적은 복수의 미세 물체의 위치와 속도를 동시에 그리고 개별적으로 제어하기 위한 단순화된 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명에 따라, 상술한 목적 및 다른 목적은 미세 물체 조작 체적 내에서 미세 물체(나노 튜브 포함)의 조작을 위해 복수의 광 트랩을 생성하기 위한 광 조작 시스템에 의해 성취되는데, 이 시스템은 공간적으로 변조된 강도 프로파일을 갖는 제 1 광 빔의 방출을 위한 공간적으로 변조된 광원을 포함하고, 상기 제 1 빔은 제 2 및 제 3 강도의 변조된 광 빔을 생성하기 위한 제 1 조절 가능한 공간 광 변조기를 향해 전파되고, 상기 제 2 강도의 변조된 광 빔은, 상기 제 2 광 빔을 미세 물체 조작 체적을 향해 편향시키기 위한 제 1 편향기를 향해 전파되고, 상기 제 3강도의 변조된 광 빔은, 상기 제 3 광 빔을 미세 물체 조작 체적을 향해 편향시키기 위한 제 2 편향기를 향해 전파된다.

본 발명의 예시적인 실시예가 도시된 첨부 도면을 참조하여, 이후 보다 상세하게 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명은 다른 형태로도 구현할 수 있으므로, 본 명세서에서 설명한 실시예로 한정되는 것으로 해석하지 않아야 한다. 오히려, 이들 실시예는, 본 개시사항이 철저하고 완벽하게 되도록, 그리고 본 발명의 범주를 충분히 당업자에게 전달하도록, 제공된다. 유사한 참조번호는 전체에 걸쳐서 유사한 구성요소를 나타낸다.

본 발명의 기본 원리는, 가시광, 적외선, 자외선, X-선, 전자파 등과 같은 임의 종류의 전자기 방사 빔에 일반적으로 적용된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 두 개 이상의 빔이 미세 물체를 속박하기 위하여 선택된 교차 각도로 서로 교차한다. 미세 물체가 복수의 빔의 교차부에서 속박될 때, 개별 빔의 집속 요건은 완화된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 광 조작 시스템은 실질적으로 동일한 전파 축을 따르지만 반대 방향으로 전파하는 빔 세트, 소위 대응 전파 빔을 제공함으로써, 미세 물체를 속박하기 위하여 빔의 전파 축을 따라 상당한 속박력을 형성한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 속박된 미세 물체의 제어된 움직임은 인접 광 빔의 제어된 턴-온 및 턴-오프를 통해 얻어질 수 있다. 이때 얻어지는 속박력은 미세 물체를 턴-온된 빔으로 끌어당기기 때문에, 충분하게 인접하여 전파하는 빔에 대해, 현재 속박하는 빔을 턴-오프하고, 인접 빔을 턴-온할 때, 속박된 미세 물체는 인접 빔으로 이동한다. 빔의 적절하고 순차적인 턴-온 및 턴-오프를 통해, 미세 물체는 원하는 대로 이동할 수 있다. 개별 미세 물체에 대한 이동 경로는 감시 시스템의 관찰에 기초하여, 예컨대 세포형태학을 위한 예컨대 시각 검사, 형광성 등에 기초하여 결정될 수 있다.

공간적으로 변조된 광원은 광원의 어레이를 포함할 수 있는데, 각 광원의 방출된 광 강도는 공간적으로 변조된 광 프로파일을 갖는 제 1 광 빔의 방출을 위해 개별적으로 제어할 수 있다.

예컨대, 공간적으로 변조된 광원은 수직공동 표면방출 레이저(vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs)를 포함할 수 있다. 전형적으로 VCSELs의 어레이는 복수의 실질적으로 원형인 레이저 빔을 방출한다. 1차원 또는 2차원 어레이를 사용할 수 있으며, 생성된 빔은 모드 경쟁의 부재로 인해 낮은 발산과 낮은 상대 강도 잡음을 갖는 강도 프로파일을 갖는다.

다른 실시예에 있어서, 공간적으로 변조된 광원은 빔 편향기를 향해 전파하는 광 빔을 방출하기 위한 광원을 포함하고, 광 편향기는 광 빔을 복수의 방향으로 순차적으로 편향시켜, 특정 평균 광 강도를 갖는 빔의 생성을 위해 다른 편향기 사이에서 시간 다중화를 통해 제 1 강도의 변조된 광 빔을 형성하도록 제어된다. 빔 편향기는 예컨대 들어오는 빔을 방위각 방향으로 편향시키기 위해 제 1축을 중심으로 회전할 수 있는 제 1거울과, 들어오는 빔을 고도 방향으로 편향시키기 위해 제 1축에 수직인 제 2축을 중심으로 회전할 수 있는 제 2 거울을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서, 공간적으로 변조된 광원은 제 2조절 가능한 공간 광 변조기를 향해 전파하는 광 빔의 방출을 위한 광원을 포함하고, 제 2 조절 가능한 공간 광 변조기는 광원으로부터의 광 빔을 제 1 강도의 변조된 광 빔으로 변조시킨다.

편향기는 전자기 빔의 반사, 굴절, 흡수, 회절, 산란 등에 기초할 수 있다.

제 1 및/또는 제 2조절 가능한 공간 광 변조기는, 조절 가능한 미소-거울, 예컨대 디지털 미소-거울 디바이스(Digital Micro-mirror Device, DMD)의 어레이와 같은 미세-광-전기-기계 시스템(Micro-Opto-Electro-Mechanical System, MOEMS)을 포함할 수 있다.

DMD는 거울의 어레이를 통해 높은 스펙트럼 및 공간 균일도를 갖는다. DMD는 높은 변조 속도를 가지며, 각 거울은 최대의 정확도로 마이크로초 단위로 스위칭될 수 있고, 데이터의 새로운 페이지를 100 마이크로초 이하로 처리할 수 있다. 현재의 DMD는 최대 ±20°의 편향된 광 빔의 각 분리를 제공한다. 인접 거울을 1 마이크로미터 이하로 분리시킬 수 있다. 더욱이, DMD는 들어오는 빔의 파장과 편광에 거의 독립적이다.

본 발명의 중요한 장점은 바람직한 실시예의 동작이 광원의 간섭성 특성 또는 편광 특성에 무관하다는 점이다. 따라서, 전자기 방사는 공간적으로 및/또는 시간적으로 간섭성 또는 비간섭성일 수 있고, 예컨대 레이저 광 또는 분자증폭기(maser) 방사일 수 있지만, 수퍼 연속 광원과 같은 백색 광원도 사용될 수 있다.

조절 가능한 공간 광 변조기는 시간 다중화된 편향을 사용하여 들어오는 광 빔을 두 개의 발산 빔으로 분할할 수 있다. 예컨대, 만약 조절 가능한 광 변조기가 각 거울이 두 각도 위치 사이에서 이동될 수 있는 디지털 미소-거울 디바이스라면, 각 거울은 선택된 주파수와 선택된 듀티 사이클을 통해 두 위치 사이에서 토글(toggle)될 수 있다. 듀티 사이클이 50%라면, 들어오는 광 빔을 완벽한 광 편향으로 가정하면, 들어오는 광 빔의 강도의 절반의 평균 강도를 갖는 두 개의 편향 광 빔으로 분할된다. 듀티 사이클의 변경은 편향된 광 빔 중 하나의 평균 강도를 증가시키고, 다른 편향 광 빔의 강도를 적절하게 감소시킬 것이다.

제 2 및 제 3 강도의 변조된 광 빔이 결코 동일한 체적 내에 동시에 존재하지 않기 때문에, 시간 다중화된 편향을 통해, 미세 물체 조작 체적 내에서의 간섭이 회피된다.

더욱이, 제 1 및 제 2 DMD를 정확하게 정렬할 필요가 없음을 주지해야 한다.

제 2 및 제 3 광 빔은 교차하는 광 빔으로 추가로 편향될 수 있다.

제 2 및 제 3광 빔은 대응 전파 광 빔으로 편향될 수 있다.

광 조작 시스템은 편향된 광 빔을 미세 물체 조작 체적에 집속시키기 위하여 현미경 대물 렌즈를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따라 대응 전파 빔을 갖는 광 조작 시스템의 중요한 장점은, 미세 물체의 위치설정이 큰 거리 내에서, 예컨대 대응 전파 빔의 전파 방향을 따라 50㎛ 이상, 그리고 예컨대 대응 전파 빔의 전파 방향에 수직으로 100㎛이상에서 제어될 수 있다는 점이다. 따라서 미세 물체는 현미경 대물 렌즈의 초점 평면 밖으로 잘 이동할 수 있다. 종래의 광 집게 시스템 내에서 초점 밖의 미세 물체는 보이지 않으며, 입자 위치와 속도 벡터의 측정은 매우 힘들었다. 더욱이, 종래의 광 집게 시스템에서는 구 수차(spherical aberration)가 문제를 야기할 수 있었다. 이들 문제점은 이하에서 설명하는 바와 같이 본 발명에 의해 해결된다.

대응 전파 빔을 갖는 광 조작 시스템의 완화된 집속 조건에 따라, 시스템의 바람직한 실시예는 나노 물체를 포함하는 미세 물체를 3차원으로 및 실시간으로 제어 속박을 위해 낮은 개구수(numerical apertue, NA), 비투입식의 대물 렌즈를 포함한다. 이 실시예에 있어서, 이러한 시스템은 광학 요소와 조작 체적 사이에 긴 작업 거리 예컨대 수 밀리미터 이상을 제공할 수 있다. 더욱이, 이 시스템은 특히 대응 전파 빔의 전파 방향을 따라 폭이 넓은 조작 체적을 제공할 수 있다. 또한, 이 시스템은 예컨대 두 개의 대향 대물 렌즈 각각을 통해 영상처리를 위한 큰 시야를 제공할 수 있다. 따라서, 미세 물체 조작 체적의 형태와 크기의 제약은 종래의 광 집게보다 훨씬 덜 엄격하다. 이는 컴팩트 디스크 판독기의 삽입 및 취출 시스템과 유사한 샘플 삽입 및 취출 시스템을 가능케 한다.

본 발명에 의해 가능해진 큰 작업 거리의 추가적인 결과로서, 다양한 임의의 입체각으로부터 관찰되는 속박 입자의 동시 감시가 가능하다. 예컨대, 대물 렌즈 중의 하나를 통해 X-Y 평면에서 속박 미세 물체를 관찰하는 것 외에, 미세 물체는 대응 전파 빔에 수직인 방향으로부터 관찰될 수도 있다.

3차원으로 속박된 미세 물체의 위치에 대한 개선된 정보는, 속박된 미세 물체의 조작의 개선된 정확도 및/또는 위치 및/또는 속도에 대한 개선된 정보를 위해 광 조작 시스템에 피드백하는데 사용할 수 있다.

본 발명의 상기 및 다른 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 예시적인 실시예를 상세하게 기술함으로써, 당업자에게는 보다 더 자명해질 것이다.

도 1은 본 발명의 제 1실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

도 2는 본 발명의 제 2실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 제 3실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

도 4는 본 발명의 동작을 개략적으로 도시하는 도면.

도 5는 감시 시스템을 포함하는 본 발명의 제 4실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

도 6은 본 발명의 제 5실시예를 개략적으로 도시하는 도면.

도 1은 미세 물체 조작 체적(14) 내에서 미세 물체(미도시)의 조작을 위한 복수의 광 트랩을 생성하기 위한 광 조작 시스템(10)의 제 1바람직한 실시예를 개략적으로 도시한다. 시스템(10)은 조절 가능한 공간 광 변조기(22)를 향해 전파하는 광 빔(20)의 방출을 위한 광원(18)을 갖는 공간적으로 변조된 광원(16)을 포함하는데, 조절 가능한 공간 광 변조기(22)는 광 빔(20)을 제 1강도의 변조된 광 빔(24)으로 변조하기 위한 디지털 미소 거울 디바이스(DMD)(22)이다. 강도 변조는 도 4를 참조하여 더 설명한다.

공간적으로 변조된 강도의 프로파일을 갖는 제 1광 빔(24)은, 도시된 실시예에서 역시 DMD(26)인 추가의 조절 가능한 공간 광 변조기(26)를 향해 전파되고, DMD(26)은 제 1강도의 변조된 광 빔(24)을 다른 방향으로 전파하는 제 2 및 제 3강 도의 변조된 광 빔(28, 30)으로 분할하며, 제 2강도의 변조된 광 빔(28)은 예컨대 제 2광 빔(28)을 미세 물체 조작 체적(14)을 향해 편향하기 위한 거울인 제 1 편향기(32)를 향해 전파되고, 제 3 강도의 변조된 광 빔(30)은 제 3 광 빔(28)을 미세 물체 조작 체적(14)을 향해 편향하기 위한 제 2 편향기(34)를 향해 전파된다.

DMD(26)은 들어오는 광 빔(24)을 시간 다중화된 편향을 사용하여 두 개의 발산 빔(28, 30)으로 분할한다. 각 거울(40, 42)은 거울(40)과 거울(42)로 개략적으로 표시된 2개의 각도 위치 사이에서 이동될 수 있다. 각 거울(40, 42)은 선택된 주파수와 선택된 듀티 사이클로 두 위치 사이에서 토글될 수 있다. 만약 듀티 사이클이 50%라면, 들어오는 광 빔(24)은 들어오는 광 빔(24)의 강도의 절반의 평균 강도를 갖는 두 개의 편향된 광 빔(28, 30)으로 분할된다. 듀티 사이클의 변경은 편향된 광 빔(28, 30)중 하나의 평균 강도를 증가시키고, 다른 편향 광 빔(28, 30)의 강도를 적절하게 감소시킬 것이다.

따라서, 도시된 실시예에서, 광 조작 시스템(10)은 실질적으로 동일한 전파 축을 따르지만 반대 방향으로 전파하는 빔 세트(12)를 제공함으로써, 미세 물체를 속박하기 위하여 빔의 전파 축을 따른 상당한 평균 속박력을 형성한다.

대응 전파 광 필드는 브라운 입자에 대한 정지 광 전위 우물(optical potential well)을 제공한다. 대응 전파 빔의 상대 강도에서 가변성을 도입함으로써, 미세 물체가 안정된 평형 위치를 얻는 전위 최소값에 대한 축 위치의 동적인 제어가 제공된다.

입자에 입사되는 광 필드가 강하게 집속 되지 못하면, 산란력이 우세해진다. 이러한 상황에서, 입자는 포인팅 벡터(Poynting vector)의 방향에서 순수한 축 방향 힘을 겪게 된다. 1970년, 애시킨(Ashkin)은 광 축을 따라 중앙부가 약간 분리된 대향하는 두 개의 동일한 TEM₀₀ 빔 사이에서, 고 굴절률(high-index) 구는 대칭점에서 속박되는 것을 보여주었다. 이러한 속박 지점에서, 물체에 대한 순수한 축 방향 힘은 0이고, 복원된다. 따라서 한 쌍의 반-평행 빔은 유전 입자에 대한 3차원 광 전위 우물을 형성하고, 문헌상으로는 대응 전파 빔 또는 이중 빔 트랩으로 알려져 있다.

대응 전파 빔을 갖는 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 광학적으로 속박되는 복수의 미세 물체의 조절 가능한 축 방향의 안정한-평형 위치설정 단계가 제공된다. 광 축을 따르는 입자의 이동 메커니즘은, 광 전위 우물의 최소값의 축 방향위치에서 변경을 수반하는 유도된 차동 평균 힘에 기인한다. 속박된 물체의 축 방향 위치의 동적이고 비-기계적인 제어는 미생물 및 기능적으로 변형된 표면과 같은 미세 물체 사이에서의 상호작용력의 연구에, 그리고 광 가이드 및 운송을 통한 입자 분류에 적용할 수 있다.

도시된 실시예는, 입자, 생물 세포 등과 같은 복수의 미세 물체의 동시 3D 속박 및 독립적인 조작을 위한 3차원의 실시간 미세 물체의 위치설정 성능을 갖는 광 트랩 어레이를 제공한다.

도시된 실시예에 있어서, 속박된 미세 물체는, 조작 체적(14)을 향해 대응-전파 광 빔을 출력하는 광학계(44,46)의 시야 내에서 속박 광 빔(36,38)을 가로질 러 독립적으로 조작될 수 있고, 또한 예컨대 100㎛의 거리에 걸쳐 광 빔(36,38)의 축 방향을 따라 동시에 조작될 수 있다.

DMD의 수 개의 형상을 본 발명의 도시된 실시예에서 사용하는 것이 유리하다. DMD는 파장에 독립적이어서, 예컨대 동시의 복수의 레이저 파장, 또는 수퍼 연속 광원과 같은 백색 광원의 폭넓은 출력 스펙트럼을 갖는 광원을 시스템에서 사용할 수 있다. 더욱이, DMD는 편광에 독립적이어서, 예컨대 시스템에서 섬유 레이저를 사용할 수 있다. 또한 DMD는 높은 정밀도, 높은 필 계수(fill factor), 높은 반사도, 및 예컨대 8000 프레임/초까지의 높은 변조 속도를 갖는다.

도시된 광 조작 시스템(10)은 편향된 광 빔(36,38)을 미세 물체 조작 체적(14)에 집속시키기 위한 현미경 대물 렌즈(48,50)를 더 포함한다.

도 2에 도시된 실시예(10)는, 도 2의 실시예가 현미경 대물 렌즈를 갖지 않는 다는 사실을 제외하면 도 1의 실시예와 동일하다. 이를 통해 큰 시야가 얻어진다. 즉 미세 물체 조작 체적(14)의 단면부가 증가한다.

도 3에 도시된 실시예(10)는, 도 3의 실시예가 제 1강도의 변조된 광 빔(24)의 전파 경로에서만 단일의 영상처리 렌즈를 갖는 사실을 제외하면 도 1의 실시예와 동일하다.

도 4는 DMD(22,26)에 의해 수행되는 광 빔의 공간 강도 변조를 개략적으로 도시한다. DMD(22)의 거울 부분(52)은 도 4의 왼쪽 부분에 도시되었다. 그 위치 중 하나에서, 거울(54)은 광을 강도 변조된 광 빔(24)의 전파 방향으로 반사시키는 반면, 다른 위치의 거울(56)은 광을 강도 변조된 광 빔(24)의 전파 방향으로부터 반 사시킨다. 따라서, 광 빔(24)의 단면의 대응 부분은 강도 프로파일(58)을 갖는다. 마찬가지로, DMD(26)의 거울 어레이의 부분(60)은 도 4의 중앙 부분에 도시되었다. 이미 언급한 바와 같이, 그 위치중 한 위치에서, 거울(40,42)은 들어오는 빔(24)을 제 2변조된 광 빔(28)과 다른 위치의 제 3변조된 광 빔(30)으로 반사시켜, 시간 다중화된 편향에 의해 두 개의 빔(28,30)이 생성된다. 예로서, 40 및 50%의 듀티 사이클이 일부 거울에 대해 표시되는데, 이는 대응-전파 광 빔(36,38)의 강도 프로파일(62,64)을 초래한다. 듀티 사이클의 조절은, 미세 물체의 일 측에 작용하는 평균 방사력의 결과적인 증가와 미세 물체의 반대측에 작용하는 평균 방사력의 대응하는 감소에 기인하여, 광 빔(36,38)의 전파 방향을 따라 속박된 미세 물체의 움직임을 야기한다.

도 5에 도시된 실시예(10)는, 도 5의 실시예가 미세 물체 조작 체적(14) 내에서 미세 물체의 관찰을 위한 예컨대 세포형태학을 위한 예컨대 시각 검사, 형광성 등에 기초하여 개별적인 미세 물체의 움직임 경로를 관찰하기 위한 광 감시 시스템(52,54)을 갖는 것을 제외하면, 도 1의 실시예와 동일하다.

도 1, 2, 3 및 5에 도시된 광 조작 시스템(10)은 컴퓨터(70)(도 5에만 도시)에 의해 제어되며, 컴퓨터(70)는 컴퓨터가 DMD(22,26)에서 각 거울(40,42)의 개별적인 위치설정을 제어하도록 DMD(22,26)의 거울(40,42)의 각각에 대한 주소 지정을 위한 인터페이스(72)를 포함한다. 더욱이, 컴퓨터는 광원 예컨대 광원의 출력 강도를 제어할 수 있다. 컴퓨터(70)는 또한 사용자 명령, 소프트웨어 업데이트 등을 수신하기 위한 키보드, 마우스, 디스켓 드라이브, 광 디스크 드라이브, 네트워 크 인터페이스, 모뎀 등과 같은 입력 수단을 포함한다. 도 5에 도시된 감시 시스템(52,54)을 갖는 시스템에 있어서, 컴퓨터(70)는 예컨대 미세 물체 조작 체적(14) 내의 미세 물체를 디스플레이하기 위한 영상 캡쳐를 위하여 감시 시스템(52,54)과 추가로 인터페이스될 수 있다. 대응 전파 빔에 수직인 방향으로부터 조작 체적(14)을 관찰하는 감시 시스템(52)이 종래의 집게 시스템에서는 매우 어렵다는 점을 주목해야 한다. 종래의 집게 시스템은 강하게 집속된 빔을 필요로 하고, 이는 차례로 높은 개구수의 현미경 대물 렌즈를 기름 또는 물에 담기는 것이 조작 체적에 매우 인접하여 위치하는 것을 필요로 하고, 이는 측면으로부터 즉 광 집게에 수직인 방향으로부터의 관찰을 매우 어렵게 한다.

빔이 강하게 집속될 필요가 없기 때문에, 시스템은, 광학 구성요소와 조작 체적 사이의 예컨대 수 mm 이상의 긴 작업 거리와, 특히 대응 전파 빔의 전파 방향을 따라 넓은 조작 체적, 그리고 예컨대 현미경 대물렌즈(48,50) 중 하나의 렌즈를 통한 영상처리를 위한 큰 시야를 제공할 수 있음을 주목해야 한다. 시스템(52)이 측면으로부터 조작 체적을 관찰하는 것으로 도시되었지만, 다양한 임의의 실질적인 각도로부터 관찰되는 속박된 입자의 동시 감시가 가능하다.

시스템의 사용자는 마우스를 사용하여 예컨대 이동할 미세 물체의 영상 위로 커서를 이동시킴으로써 개별적인 미세 물체를 주위로 이동시킬 수 있고, 마우스 클릭을 통해 미세 물체를 선택할 수 있다. 선택된 미세 물체는 예컨대 왼쪽 마우스 버튼을 누른 채 마우스를 드래그함으로써 대응 전파 빔(36,38)의 전파 방향에 수직인 평면에서 이동될 수 있고, 선택된 미세 물체는 오른쪽 마우스 버튼을 누른 채 마우스를 드래그함으로써 대응 전파 빔(36,38)의 전파 방향으로 이동될 수 있다.

도 6은 미세 물체 조작 체적(14) 내의 미세 물체(미도시)의 조작을 위한 복수의 광 트랩을 생성하기 위한 광 조작 시스템(10)의 또 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한다. 시스템(10)은 조절 가능한 공간 광 변조기(26)를 향해 전파하는 광 빔(24)의 방출을 위한 공간적으로 변조된 광원(16)을 포함하고, 공간 광 변조기(26)는 도시된 실시예에서 제 2 및 제 3강도의 변조된 광 빔(28,30)을 생성하기 위한 디지털 미소 거울 디바이스(DMD)(26)이며, 제 2강도의 변조된 광 빔(28)은 제 2광 빔(28)을 미세 물체 조작 체적(14)으로 편향시키기 위한 거울인 제 1편향기(31,32)를 향해 전파하고, 제 3강도의 변조된 광 빔(30)은 제 3광 빔(30)을 제 2광 빔(28)의 반대 방향에서 미세 물체 조작 체적(14)으로 편향시키기 위한 제 2편향기(33,34)를 향해 전파한다. 따라서, 제 2강도의 변조된 광 빔(28)은 DMD(26)의 절반(60)에 의해 형성되고, 제 3 강도의 변조된 광 빔(30)은 DMD의 다른 절반(61)에 의해 형성됨으로써, 강도 변조된 광 빔(28,30)의 해상도는 DMD(26)의 해상도의 절반이 되는 반면, 도 1-3에 도시된 실시예의 대응하는 빔의 해상도는 DMD(22,26)의 해상도와 동일하다. 대안적으로, 또 다른 실시예에서, 도 6의 DMD(26)는 두 개의 DMD로 대체될 수 있는데, 이들 중 하나는 제 2강도의 변조된 빔(28)을 형성하고, 다른 하나는 제 3강도의 변조된 빔(30)을 형성하여, 빔의 해상도는 각 DMD의 해상도와 동일하다.

도 6의 DMD(26)에 의해 수행된 강도 변조에 대해 도 4를 참조하여 더 설명한다.

도 4는 도 6의 DMD(26)에 의해 수행된 광 빔의 공간 강도 변조를 개략적으로 도시한다. DMD(26)의 거울 어레이의 두 개의 절반부(60,61)는 도 4의 중앙부에 도시되었다. DMD(26)의 하나의 절반부(60)는 제 2 강도의 변조된 빔(28)을 변조시키고, DMD(26)의 다른 절반부(61)는 제 3 강도의 변조된 빔(30)을 변조시킨다. 그 위치중 한 위치에서, 거울(40,42)은 들어오는 빔(24)을 제 2 변조된 광 빔(28)으로 반사시키고, 다른 위치에서는 제 2 변조된 광 빔(28)으로부터 반사시킨다. DMD(26)의 다른 절반부(61)에 대해서도 마찬가지로, 한 위치에서 거울은 들어오는 빔(24)을 제 3 변조된 광 빔(30)으로 반사시키고, 다른 위치에서는 제 3 변조된 광 빔(30)으로부터 반사시킨다. 따라서 두 개의 광 빔(28,30)은 시간 다중화된 편향에 의해 생성된다. 예로서, 40, 50 및 60%의 듀티 사이클이 거울의 일부에 대해 표시되었고, 이는 대응 전파 광 빔(36,38)의 강도 프로파일(62,64)을 야기한다. 두 개의 절반부(60,61)에 대한 거울의 듀티 사이클의 조화된 조절은 미세 물체의 일 측에 작용하는 평균 방사력의 결과적인 증가와 미세 물체의 반대측에 작용하는 평균 방사력의 대응하는 감소에 기인하여, 광 빔(36,38)의 전파 방향을 따라 속박된 미세 물체의 움직임을 야기한다.

따라서, 도시된 실시예에 있어서, 광 조작 시스템(10)은 실질적으로 동일한 전파 축을 따르지만 반대 방향으로 전파하는 빔 세트(12)를 제공함으로써, 미세 물체를 속박하기 위하여 빔의 전파 축을 따라 상당한 평균 속박력을 형성한다.

본 발명은 전자기 방사력을 사용하여 입자, 미세부품, 생물세포, 박테리아, 나노튜브 및 원자의 집합체 등과 같은 나노-물체를 포함하는 미세-물체의 조작에 이용 가능하다.

Claims

미세-물체 조작 체적 내에서 나노 물체를 포함하는 미세 물체의 조작을 위한 복수의 광 트랩을 생성하기 위한 광 조작 시스템에 있어서,

상기 광 트랩을 형성하기 위하여 공간적으로 변조된(spatially modulated) 강도 프로파일을 가지면서, 제 1 디지털 미소-거울 디바이스를 조사하기 위해 사용되는 광을 방출하는 광원을 포함하고,

상기 제 1 디지털 미소-거울 디바이스의 각 거울은, 들어오는 변조된 광 빔을 시간다중화 편향(time multiplexed deflection)에 의해 두 개의 편향된 광 빔으로 분할하기 위하여, 듀티 사이클의 변경이 편향된 광 빔 중 하나의 평균 강도를 증가시키면서, 다른 편향된 광 빔의 평균 강도를 적절하게 감소시키는 방식으로, 선택된 주파수와 선택된 듀티 사이클에 있어서의 두 개의 위치 사이에서 토글(toggle)되며,

상기 두 개의 편향된 광 빔은, 상기 미세 물체 조작 체적 내에서 교차시키거나 대응-전파시키기 위하여 각 광 빔의 편향을 위한 제 1 및 제 2 편향기 중 하나의 편향기를 향해 각각 전파되어, 공간적으로 변조된 광이 상기 미세 물체 조작 체적 내에 상기 광 트랩을 생성하는 것을 특징으로 하는 광 조작 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 광원은 상기 제 1 디지털 미소-거울 디바이스를 공간적으로 변조된 강도 프로파일로 조명하기 위한, 조절 가능한 강도를 갖는 광원 어레이를 포함하는 광 조작 시스템.
제 2항에 있어서, 상기 광원은, 공간적으로 변조된 강도 프로파일로 조명하기 위한, 조절 가능한 강도를 갖는 수직공동 표면방출 레이저(vertical cavity surface emitting lasers, VCSELs)의 어레이를 포함하는 광 조작 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 광원은, 상기 제 1 디지털 미소-거울 디바이스를 조사하는 광의 변조를 위한 광원에 의해 조사되는 제 2 디지털 미소-거울 디바이스를 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 두 개의 편향된 광 빔을 상기 미세 물체 조작 체적으로 집속시키기 위한 현미경 대물 렌즈를 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 방향으로부터 동시에 상기 미세-물체 조작 체적을 관찰하기 위한 관찰 시스템을 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 5항에 있어서, 복수의 방향으로부터 동시에 상기 미세-물체 조작 체적을 관찰하기 위한 관찰 시스템을 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 조작의 사용자 제어와, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 동시 디스플레이를 위해 적용되는 컴퓨터를 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 5항에 있어서, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 조작의 사용자 제어와, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 동시 디스플레이를 위해 적용되는 컴퓨터를 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 6항에 있어서, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 조작의 사용자 제어와, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 동시 디스플레이를 위해 적용되는 컴퓨터를 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
제 7항에 있어서, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 조작의 사용자 제어와, 상기 미세-물체 조작 체적 내에서 나노-물체를 포함하는 미세 물체의 동시 디스플레이를 위해 적용되는 컴퓨터를 추가로 포함하는 광 조작 시스템.
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