WO2011128192A1 - Methods and devices for position and force detection in optical tweezers - Google Patents

Methods and devices for position and force detection in optical tweezers Download PDF

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WO2011128192A1
WO2011128192A1 PCT/EP2011/054427 EP2011054427W WO2011128192A1 WO 2011128192 A1 WO2011128192 A1 WO 2011128192A1 EP 2011054427 W EP2011054427 W EP 2011054427W WO 2011128192 A1 WO2011128192 A1 WO 2011128192A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
backscattered
light beam
polarization
decoupling
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/054427
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reinold Wischnewski
Michael GÖGLER
Original Assignee
Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Microimaging Gmbh filed Critical Carl Zeiss Microimaging Gmbh
Publication of WO2011128192A1 publication Critical patent/WO2011128192A1/en

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00Microscopes
    • G02B21/32Micromanipulators structurally combined with microscopes

Definitions

  • the present invention relates to methods and apparatus for detecting the position of objects illuminated with a light beam, for example a laser beam, wherein in particular a position relative to the laser beam can be determined.
  • the present invention also relates to methods and apparatus for detecting or measuring a force acting on an object trapped in an optical tweezer or for detecting or measuring forces acting on objects trapped in a plurality of optical tweezers.
  • optical tweezers also referred to as optical traps
  • an object whose dimensions are typically in the micrometer or nanometer range is held in or near a focus of a highly focused laser beam.
  • the strong focusing of the laser beam generates an electric field with a strong gradient.
  • a dipole induced in the object by the electromagnetic field of the laser beam allows manipulation of the object and, for example, results in a force along the electric field gradient in the direction of the location of maximum light intensity, i. to the focus of the laser beam.
  • Forces acting on such a trapped object can be detected by evaluating backward or forward scattered light from the object with a detector.
  • Corresponding devices and methods are known, for example, from WO 2008/1451 10 A1 or WO 2009/065519 A1.
  • a positional shift of a laser beam i. be detected by this illuminated, object.
  • the first light beam may be focused to form a first optical tweezer for capturing the first object
  • the second light beam may be focused to form a second optical forceps for capturing the second object.
  • a beam splitter such as a semitransparent mirror can be used.
  • the beam splitter preferably has the same degree of decoupling for the first polarization and for the second polarization.
  • the generation of the first light beam and the second light beam may be effected by separating two portions of orthogonal polarization based on a single light beam, for example a laser beam.
  • a laser with downstream ⁇ / 2 plate and polarizing beam splitter also referred to as a pole cube, can be used.
  • the light backscattered by the first object and the light backscattered by the second object can each be directed to a detector. This can be done via a telescopic arrangement, such as a reduction telescope.
  • a detector In the case of the detectors, an intensity shift or a deflection of a reflex can then be detected and the influence of a force on the respective object can be deduced.
  • FIG. 1 shows a schematic of an optical device according to an exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic of an optical device according to a further exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a schematic of an optical device according to another embodiment
  • Figure 4 is a schematic of an optical device according to another embodiment.
  • FIG. 5 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 1 A schematic of an optical arrangement according to an embodiment is shown in FIG. 1
  • the exemplary embodiment of FIG. 1 comprises as the light source a laser 10, for example an infrared laser, which generates a laser beam 1 1.
  • a laser 10 for example an infrared laser
  • a ⁇ / 2 plate 12 and a polarizing beam splitter 13, also referred to as a pole cube the laser beam 1 1 in a first beam 15 and a second beam 14, which is shown dotted divided.
  • the second beam 14 is directed via a mirror 16 to a polarizing beam splitter 18, while the first beam 15 is directed via a mirror 17 to the polarizing beam splitter 18.
  • the polarizing beam splitter 18 serves to merge the first beam 14 and the second beam 15 in a common light path.
  • the first beam 15 and the second beam 14 have mutually orthogonal polarizations.
  • the orthogonal polarizations of the first beam 15 and the second beam 14 may be s-polarization and p-polarization.
  • the mirror 16 and / or the mirror 17 can be movable, as will be explained further below, to change a position of an optical tweezers formed by the first beam 14 and / or by the second beam 15.
  • other elements for changing the beam position / beam direction may also be provided, for example an acoustooptic deflector, a spatial spatial modulator (SLM), a galvanometer scanner or another positioning element.
  • SLM spatial spatial modulator
  • galvanometer scanner another positioning element.
  • the first beam 14 and the second beam 15 are separated by a beam splitter 19, e.g. a partially transmissive mirror and a beam splitter 1 10 to a trapping lens 1 1 1 steered, which may be part of a microscope assembly.
  • the trap lens 1 1 1 focuses the first beam 15 and the second beam 14 on a slide 12.
  • objects 1 13, 1 14, such as biological objects are located, for example in a liquid.
  • the object 1 13 is trapped in an optical tweezer formed by the first beam 15 while the object 14 is trapped in an optical tweezers formed by the second beam 14.
  • the slide 1 12 can be illuminated by a further light source (not shown), for example a conventional microscope illumination.
  • the scattered by objects on the slide 1 12 light of this further light source is on the trapping lens 1 1 1 through the beam splitter 1 10 and 19 passes through to a camera 1 19, whereby an optical control is possible. This may assist an operator in controlling the mirrors 16 and / or 17, for example.
  • the light of the first beam 15 backscattered by the object 1 13 and the light of the second beam 14 backscattered by the object 1 14 is transmitted to the beam via the trap objective 1 1 1.
  • divider 1 10 steered and there coupled out of the light path between the laser 10 and the trap lens 1 1 1 and to a polarization-dependent beam splitter 1 16, for example a pole cube, steered, which directs the backscattered light of the first beam 15 to a first detector 1 17 and the backscattered light of the second beam 14 to a second detector 1 18 directs.
  • the first detector 1 17 and the second detector 1 18 detect changes in the backscattered light, such as changes in the position of an intensity maximum, such changes caused for example by force on the object 1 13 and the object 1 14 and a position shift associated therewith the respective object can be.
  • changes in the backscattered light such as changes in the position of an intensity maximum, such changes caused for example by force on the object 1 13 and the object 1 14 and a position shift associated therewith the respective object can be.
  • the beam splitter 110 which serves for coupling out the backscattered laser light, can have the same degree of reflection for the two orthogonal polarizations of the first beam 14 and of the second beam 15.
  • the reflectance can be adjusted depending on a required signal strength at the first detector 1 17 and the second detector 1 18. In other embodiments, different reflectivities may be provided for the two orthogonal polarizations.
  • the position of the beam splitter 1 10, which is shown in Figure 1, is to be understood only as an example; the decoupling can be done in principle at any point of the backscattered beam path, for example, as shown immediately after the trapping lens 1 1 1, but also in the camera 1 19, e.g. at a camera port, in an aperture plane of the beam path, or when the laser light is coupled into a microscope, the microscope e.g. the trap lens 1 1 1 includes.
  • the detectors 1 17, 1 18 may be positioned, for example, in the rear focal plane of the arrangement. In order to detect a force effect, a shift of an intensity maximum of the beam incident on the respective detector 1 17, 1 18 can then be detected.
  • a telescopic arrangement may be provided to cause a deflection of the incident on the respective beam beam in response to a force acting on the respective object 1 13, 1 14 force.
  • Such telescoping arrangements can also be used independently of the use of two differently polarized beam optical tweezers as described with reference to FIG become. Various examples of such telescopic arrangements will be explained in more detail below.
  • Figure 2 shows an optical device according to another embodiment of the present invention.
  • a laser 20 generates a laser beam 21, which is directed via a mirror 22 and a beam splitter 23 through a beam splitter 24 to a trap objective 25.
  • the trapping objective 25 focuses the laser beam onto an object carrier 216 and thus forms optical tweezers with which an object 217 can be caught.
  • the slide 216 can be illuminated with a light source (not shown), thus allowing optical control via a camera 215 corresponding to the camera 1 19 of FIG.
  • Laser light backscattered by the object 217 is decoupled by the beam splitter 24 after passing through the trap lens 25 and directed to a detection device 218.
  • the detection unit 218, the decoupled laser beam is directed through a reduction telescope, of which a lens 29 and a lens 21 1 are shown, onto a first detector 213.
  • the reduction telescope 29, 21 1 is preferably configured in such a way that a divergent beam strikes the first detector 213.
  • the beam which is usually substantially parallel to the reduction telescope 29, 21 1, is converted into a divergent beam.
  • the distance of the lenses 29, 21 1 in a range of 0.5-0.9, preferably 0.6-0.8 times the lens spacing for a collimated beam after passing through the reduction telescope.
  • the distance of the first detector 213 to the lens 21 1 can then be selected such that the reflection generated by the incident beam illuminates only a part of the detector surface, for example between 40% and 90% of the detector surface, for example about 80% of the detector surface.
  • the distance to the detector be about 75mm and the distance of the lenses 29, 21 1 can be about 45-52mm, in this
  • a collimated, ie parallel, beam would strike the first detector 213.
  • a telescope actuator of the reduction telescope formed by the lenses 29 and 21 1 can be between 2x and 10x, for example between 4x and 5x.
  • a reduction telescope is possible not only in the detection of a single beam, but also in the use of multiple beams to form a plurality of optical tweezers.
  • the use of a reduction telescope is also feasible when using two orthogonally polarized beams to form two tweezers as explained with reference to FIG.
  • a polarization-dependent beam splitter 210 corresponding to the polarization-dependent beam splitter 1 16 of FIG. 1 can optionally be provided in the detection device 218, which performs a polarization separation and directs a first beam with a first polarization onto the first detector 213, while a directs second beam with a second polarization to a second detector 214.
  • This polarization-dependent beam splitter 210 can be arranged as shown in Figure 2 between the lenses 29 and 21 1.
  • a further lens 212 forms, together with the lens 29, a further reduction telescope with which the second beam is imaged on the second detector 214.
  • the reduction telescope and the further reduction telescope thus share the lens 29, while the lenses 21 1 and 212 are provided separately.
  • the above statements apply to the lenses 29, 21 1 and the detector 213 accordingly.
  • Two beams polarized orthogonally to one another can thereby be produced with a ⁇ / 2 plate and a polarizing beam splitter as explained with reference to FIG.
  • the beams may also differ in characteristics other than polarization, for example, in terms of wavelength, and the separation may then take place, for example, by means of corresponding filters instead of by the beam splitter 210.
  • one or more optical tweezer beams are movable, eg displaceable, eg as explained with reference to FIG. 1, such as the first beam 15 or the second beam 14 of the embodiment of FIG.
  • moving the beam may cause ren that a corresponding reflex is no longer centrally incident on a detector such as the first detector 213 or the second detector 214 and thus generates an undefined behavior when a force is applied to an object located in the corresponding optical tweezers, for example a deflection oblique to the force effect a detection of the acting force difficult.
  • one or more movable optical elements may be provided.
  • a corresponding embodiment is shown in FIG.
  • a ⁇ / 2 plate 319 and a polarizing beam splitter 33 generates a first beam and a second beam, wherein in the embodiment in Figure 3, an additional (optional) mirror 32 is provided in the beam path.
  • the first beam and the second beam can be moved, for example displaced, by mirrors 34, 35 which in their function correspond to the mirrors 16, 17 of FIG. 1 and are transmitted via a polarizing beam splitter 36 and a beam splitter 37 through a beam splitter 38 a trajectory lens 39 is directed, wherein the function of the elements 36-39 corresponds to the function of the elements 18, 19, 1 10 and 1 1 1 of Figure 1.
  • an object 310 is shown in FIG.
  • two optical tweezers may be formed by the first beam and the second beam, in which two objects are captured accordingly.
  • the object 310 may be located in or on a slide as explained with reference to FIGS. 1 and 2.
  • a camera 318 is provided as in the embodiments of FIGS. 1 and 2.
  • the light backscattered by one or more trapped objects is decoupled by the beam splitter 38 as in the previous embodiments and directed to a detection device. This comprises a polarization-dependent beam splitter 312 for separating the beams as described with reference to FIG.
  • a first detector 314 and a second detector 316 detect those from the first reduction telescope or from the first second reduction telescope emitted light beams to detect a force on one or more objects trapped in optical tweezers.
  • the lens 313 is movable, in particular perpendicular to the optical axis, to compensate for moving the first beam through the movable mirror 35 and to ensure, for example, that the beam emitted by the first reduction telescope 31 1, 313 is always substantially centered on the detector 314 falls as long as no force acts on the respective captured object.
  • the lens 315 may be movable to compensate for moving the second beam through the movable mirror 34. The movement of the lenses 313, 315 is controlled by a controller 317 in the embodiment of FIG.
  • the controller 317 may, for example, be coupled to the control of the mirrors 35 and / or 34 or directly control the mirrors 35 and / or 34 and move the lens 313 and / or 315 in response to the control of the mirrors 35 and / or 34.
  • a calibration can be performed and for each position of the mirror 34 a corresponding position of the lens 315 and for each position of the mirror 35 a position of the lens 313 are stored, for example in a table in the controller 317 and in operation then the Lenses 313 and 315 according to this table in response to the control of the mirror 35 and 34 are moved.
  • the detector signal and / or an image of the camera 318 may be used to control the lens 313 and the lens 315.
  • the control may be manual by a user.
  • backscattered light is used by one or more objects to detect a force effect.
  • forward scattered light may also be used.
  • An example of detection of forward scattered light is shown in FIG.
  • the embodiment of Figure 4 is as it were a version of the embodiment of Figure 3, in which instead of the backscattered light forward scattered light is used to detect a force effect.
  • a corresponding use of the forward scattered light is also possible, for example, for the embodiment of Figure 2.
  • Figure 4 correspond to the functions of a laser 40, a mirror 41, a ⁇ / 2 plate 420, a polarizing beam splitter 42, of mirrors 43 and 44, a polarizing beam splitter 45, a beam splitter 46, a trapping objective 47 and a camera 419 of the already described function of the laser 30, the mirror 32, the Abplatte 319, the polarizing beam splitter 33, the mirrors 34 and 35, the polarizing beam splitter 36, the beam splitter 37, the tracer lens 39 and the camera 318 of Figure 3 and will therefore not be explained again in detail.
  • an object 48 is trapped in optical tweezers.
  • Light scattered forward by the object 48 is picked up by an objective 49 and directed via a mirror 410 to a detection arrangement 41 1 -417.
  • the detection arrangement 41 1 -417 corresponds in its operation to the detection arrangement 31 1 -317 of FIG. 3, and corresponding elements carry the same reference symbols apart from the left-most 3 or left-hand 4 (element 31 1 corresponds to element 41 1 etc.). Therefore, the detection device will not be described again.
  • lenses 413, 415 can also be moved by the controller 417 in the exemplary embodiment of FIG. 4 in order to compensate for movements of the beams used to generate optical tweezers by moving the mirrors 43, 44.
  • FIG. 5 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention, wherein this method can be implemented essentially as already described above in the exemplary embodiments of FIGS. 3 and 4, but can also be used independently of these specific exemplary embodiments.
  • step 50 an object is illuminated or captured with a laser beam, in particular a focused laser beam forming an optical tweezers.
  • a laser beam in particular a focused laser beam forming an optical tweezers.
  • scattered light for example forward or backward scattered light, is directed from the object through a reduction telescope to a detector so as to be able to detect forces acting on the object.
  • step 52 the laser beam is moved, and in step 53, an optical element, for example a lens, of the reduction telescope is moved to compensate for the movement of the laser beam from step 52 and to allow consistent detection with the detector.
  • an optical element for example a lens
  • the embodiments of Figures 3 and 4 can be realized only for a single beam and thus a single optical tweezers.
  • the lens 315 and the detector 316 in the case of Figure 3 or the polarization-dependent beam splitter 412, the lens 415 and the detector 416 omitted in the case of Figure 4, and the division of the laser beam emitted by the laser 30 or 40 into two beams with orthogonal polarization can be omitted.
  • a camera is provided for receiving an image of an object plane, this can also be omitted in other embodiments, or it can be alternatively or additionally provided an optical control by a microscope without a camera.
  • mirrors such as mirrors 22, 32, 41 and 410
  • additional mirrors can be provided or Mirrors are placed differently.
  • additional optical elements such as lenses may be provided, for example a telescope for expanding the beam emitted by the laser 10, 20, 30 or 40.
  • the laser used may each be an infrared laser, but lasers of other wavelengths are also possible.
  • the detection is effected by means of a single detector for each beam forming an optical tweezers
  • a further division of the respective beam can be provided, for example a division of the beam into the lens 21 1 of FIG. for example, for separate detection for different spatial directions.
  • a further splitting can be detected independently, for example, in the Z direction.
  • the described reduction telescopes can be realized, for example, as Galileitel telescopes with a first plano-convex lens (lens 29, 31 1 or 41 1) and a second plano-concave lens (lenses 21 1, 212, 313, 315, 413, 415).
  • a first plano-convex lens lens 29, 31 1 or 41 1
  • a second plano-concave lens lens 21 1, 212, 313, 315, 413, 415.
  • first reduction telescope and a second reduction telescope have been described which a common first lens and Having separate second lenses
  • completely separate reduction telescopes can be arranged according to the respective polarization-dependent beam splitter.
  • the outcoupling in the case of backward scattering can also take place with the aid of a pole cube instead of with the aid of a beam splitter, such as the beam splitter 24 or 38.
  • detectors for example, quadrant diodes or linear detectors can be used.
  • a linear detector can be configured one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the detectors may be adjustable, for example the position of the detectors may be displaceable.
  • the position of the beam emitted by the reduction telescope can be determined on the detector and, for example, converted into a force on the basis of a previously performed calibration.
  • the first lens may additionally or alternatively be movable.
  • other optical structures such as a three lens optical assembly, may be used, and accordingly, one or more of these optical elements may be movable.
  • the optical elements can then be displaceable in particular perpendicular to the optical axis.
  • such optical elements can also be displaceable in the direction of the optical axis, for example in order to change a size of the beam on the respective detector.
  • two orthogonally polarized beams for example an s-polarized and a p-polarized beam, can be generated not only by means of a ⁇ 2 plate and subsequent polarizing beam splitter, but also in other ways.
  • a force effect on an object trapped in an optical tweezer can be detected, in particular via a detection of a positional shift by means of a detector and a corresponding calibration with which a corresponding force can be assigned to the detected positional shift.
  • a beam intensity can be chosen so that the forces acting in or at the focus of the laser beam are insufficient, which respectively illuminated Capture object.
  • the described detection can then be used to detect positional shifts of the object and then, for example, to readjust a position of the beam in order to be able to track the movement of the object (particle tracking)
  • Embodiments described modifications are also applicable to the other embodiments, unless otherwise noted.

Abstract

The invention relates to methods and devices, in which a first beam (14) and a second beam (15) are focused in order to form first optical tweezers and second optical tweezers. Light backscattered from a first object (114) captured in the first optical tweezers and light backscattered from a second object (113) captured in the second optical tweezers is decoupled, for example by a beam splitter (110), and separated, for example by a polarizing beam splitter cube (116) on the basis of the polarization. In other variants, the first object and the second object are not captured but rather solely illuminated by the first beam or the second beam.

Description

Beschreibung VERFAHREN UND VORRICHTUNGEN ZUR POSITIONS - UND KRAFTDETEKTION IN OPTISCHEN PINZETTEN  Description METHOD AND DEVICES FOR THE POSITION AND POWER DETECTION IN OPTICAL TWEEZERS
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Positionsdetektion von mit einem Lichtstrahl, beispielsweise einem Laserstrahl, beleuchteten Objekten, wobei insbesondere eine Position relativ zu dem Laserstrahl bestimmt werden kann. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion oder Messung einer Kraft, welche auf ein in einer optischen Pinzette gefangenes Objekt wirkt bzw. zur Detektion oder Messung von Kräften, welche auf in mehreren optischen Pinzetten gefangene Objekte wirken. Bei derartigen optischen Pinzetten, auch als optische Fallen bezeichnet, wird ein Objekt, dessen Abmessungen typischerweise im Mikrometer- oder Nanometerbereich liegen, in bzw. nahe bei einem Fo- kus eines stark fokussierten Laserstrahls gehalten. Durch die starke Fokussierung des Laserstrahls wird dabei ein elektrisches Feld mit einem starken Gradienten erzeugt. Ein durch das elektromagnetische Feld des Laserstrahls in dem Objekt induzierter Dipol erlaubt eine Manipulation des Objekts und führt beispielsweise zu einer Kraft entlang des elektrischen Feldgradienten in Richtung des Ortes maximaler Lichtintensität, d.h. zu dem Fokus des Laserstrahls hin. The present invention relates to methods and apparatus for detecting the position of objects illuminated with a light beam, for example a laser beam, wherein in particular a position relative to the laser beam can be determined. The present invention also relates to methods and apparatus for detecting or measuring a force acting on an object trapped in an optical tweezer or for detecting or measuring forces acting on objects trapped in a plurality of optical tweezers. In such optical tweezers, also referred to as optical traps, an object whose dimensions are typically in the micrometer or nanometer range is held in or near a focus of a highly focused laser beam. The strong focusing of the laser beam generates an electric field with a strong gradient. A dipole induced in the object by the electromagnetic field of the laser beam allows manipulation of the object and, for example, results in a force along the electric field gradient in the direction of the location of maximum light intensity, i. to the focus of the laser beam.
Auf ein derart gefangenes Objekt wirkende Kräfte können detektiert werden, indem von dem Objekt rückwärts oder vorwärts gestreutes Licht mit einem Detektor ausgewertet wird. Entsprechende Vorrichtungen und Verfahren sind beispielsweise aus der WO 2008/1451 10 A1 oder der WO 2009/065519 A1 bekannt. In entsprechender Weise kann eine Positionsverschiebung eines in einem Laserstrahl befindlichen, d.h. von diesem beleuchteten, Objekts detektiert werden. Forces acting on such a trapped object can be detected by evaluating backward or forward scattered light from the object with a detector. Corresponding devices and methods are known, for example, from WO 2008/1451 10 A1 or WO 2009/065519 A1. Similarly, a positional shift of a laser beam, i. be detected by this illuminated, object.
In der oben erwähnten WO 2008/1451 10 A1 wird insbesondere erläutert, wie die Kraftwirkung auf zwei in zwei optischen Fallen befindlichen Objekten durch Detektion von von den Objekten vorwärtsgestreutem Licht erfolgen kann. Die Verwendung eines Aufbaus, welcher vorwärtsge- streutes Licht zur Detektion verwendet, ist jedoch insofern nachteilhaft, als dass die Zugänglichkeit zu den Objekten, bzw. zu einem Probenraum, erschwert ist. In the above-mentioned WO 2008/1451 10 A1, it is explained in particular how the force can be applied to two objects located in two optical traps by detecting light forwardly scattered by the objects. The use of a structure which uses forward scattered light for detection, however, is disadvantageous in that the accessibility to the objects, or to a sample space, is made more difficult.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren und Vorrichtungen bereitzustellen, bei welchen die Kraftwirkung auf zwei in zwei optischen Pinzetten gefangene Objekte bzw. Positionsänderungen von zwei von zwei Lichtstrahlen beleuchteten Objekten unabhängig voneinander durch Auswertung von rückwärtsgestreutem Licht detektiert werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung nach Anspruch 8. Die abhängigen Ansprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele. It is therefore an object of the present invention to provide methods and apparatus in which the force action on two objects captured in two optical tweezers or position changes of two objects illuminated by two light beams can be detected independently by evaluation of backscattered light. This object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 8. The dependent claims define further embodiments.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren vorgeschlagen, umfassend: According to the invention, a method is proposed, comprising:
Erzeugen eines ersten Lichtstrahls mit einer ersten Polarisation, Generating a first light beam having a first polarization,
Erzeugen eines zweiten Lichtstrahls mit einer zu der ersten Polarisation orthogonalen zweiten Polarisation, Generating a second light beam having a second polarization orthogonal to the first polarization,
Beleuchten eines ersten Objekts mit dem ersten Lichtstrahl und eines zweiten Objekts mit dem zweiten Lichtstrahl, Illuminating a first object with the first light beam and a second object with the second light beam,
Auskoppeln von dem von dem ersten Objekt rückgestreutem Licht und von dem von dem zweiten Objekt rückgestreutem Licht, Decoupling the light backscattered from the first object and the backscattered light from the second object,
Trennen des von dem ersten Objekt rückgestreuten Lichts von dem von dem zweiten Objekt rückgestreuten Licht auf Basis der Polarisation, und getrenntes Detektieren des von dem ersten Objekt rückgestreuten Lichts und des von dem zweiten Objekt rückgestreuten Lichts. Separating the backscattered light from the first object from the backscattered light from the second object based on the polarization, and separately detecting the backscattered light from the first object and the backscattered from the second object light.
Durch das Auskoppeln des rückgestreuten Lichts mit nachfolgender Trennung auf Basis der Polarisation kann eine getrennte Detektion einer Positionsänderung des ersten Objekts und des zweiten Objekts in einer rückwärtsstreuenden Geometrie erfolgen, was beispielsweise eine Zu- gänglichkeit eines Probenraums erleichtert. By decoupling the backscattered light with subsequent separation on the basis of polarization, a separate detection of a change in position of the first object and the second object in a backscattering geometry can take place, which facilitates, for example, accessibility of a sample space.
Der erste Lichtstrahl kann zum Bilden einer ersten optischen Pinzette zum Fangen des ersten Objekts fokussiert werden, und der zweite Lichtstrahl kann zur Bildung einer zweiten optischen Pinzette zum Fangen des zweiten Objekts fokussiert werden. The first light beam may be focused to form a first optical tweezer for capturing the first object, and the second light beam may be focused to form a second optical forceps for capturing the second object.
Zum Auskoppeln kann beispielsweise ein Strahlteiler wie ein halbdurchlässiger Spiegel verwendet werden. Bevorzugt weist der Strahlteiler für die erste Polarisation und für die zweite Polarisation einen gleichen Grad der Auskopplung auf. Das Erzeugen des ersten Lichtstrahls und des zweiten Lichtstrahls kann bei einem Ausführungsbeispiel durch Separieren von zwei Anteilen orthogonaler Polarisation auf Basis eines einzigen Lichtstrahls, beispielsweise eines Laserstrahls, erfolgen. Hierzu kann beispielsweise ein Laser mit nachgeordneter λ/2-Platte und polarisierendem Strahlteiler, auch als Polwürfel bezeichnet, verwendet werden. For decoupling, for example, a beam splitter such as a semitransparent mirror can be used. The beam splitter preferably has the same degree of decoupling for the first polarization and for the second polarization. In one embodiment, the generation of the first light beam and the second light beam may be effected by separating two portions of orthogonal polarization based on a single light beam, for example a laser beam. For this purpose, for example a laser with downstream λ / 2 plate and polarizing beam splitter, also referred to as a pole cube, can be used.
Zur Detektion kann das von dem ersten Objekt rückgestreute Licht und das von dem zweiten Objekt rückgestreute Licht jeweils auf einen Detektor gelenkt werden. Dies kann über eine Teleskopanordnung, beispielsweise ein Reduktionsteleskop geschehen. Bei den Detektoren können dann eine Intensitätsverschiebung oder eine Auslenkung eines Reflexes detektiert werden und auf die Einwirkung einer Kraft auf das jeweilige Objekt rückgeschlossen werden. Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: For detection, the light backscattered by the first object and the light backscattered by the second object can each be directed to a detector. This can be done via a telescopic arrangement, such as a reduction telescope. In the case of the detectors, an intensity shift or a deflection of a reflex can then be detected and the influence of a force on the respective object can be deduced. The invention will be explained in more detail with reference to the accompanying drawings. Show it:
Figur 1 ein Schemabild einer optischen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel, Figur 2 ein Schemabild einer optischen Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, 1 shows a schematic of an optical device according to an exemplary embodiment, FIG. 2 shows a schematic of an optical device according to a further exemplary embodiment,
Figur 3 ein Schemabild einer optischen Vorrichtung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel, FIG. 3 is a schematic of an optical device according to another embodiment;
Figur 4 ein Schemabild einer optischen Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und Figure 4 is a schematic of an optical device according to another embodiment and
Figur 5 ein Flussdiagramm eines Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel. FIG. 5 shows a flowchart of a method according to an exemplary embodiment.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren detailliert erläutert. Es ist zu bemerken, dass Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, soweit nichts gegenteiliges ausgeführt wird. Zudem ist zu beachten, dass die Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Merkmalen nicht dahingehend auszulegen ist, dass alle diese Merkmale für die Ausführung der Erfindung wesentlich sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele weniger als die dargestellten Merkmale aufweisen. Hereinafter, embodiments of the present invention will be explained in detail with reference to the accompanying drawings. It should be noted that features of various embodiments may be combined with each other unless otherwise stated. It should also be understood that the description of an embodiment having a plurality of elements or features is not to be construed as indicating that all such features are essential to the practice of the invention. Rather, other embodiments may have less than the illustrated features.
Ein Schemabild einer optischen Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel ist in Figur 1 dargestellt. A schematic of an optical arrangement according to an embodiment is shown in FIG.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 1 umfasst als Lichtquelle einen Laser 10, beispielsweise einen Infrarotlaser, welcher einen Laserstrahl 1 1 erzeugt. Durch eine λ/2-Platte 12 und einen polarisierenden Strahlteiler 13, auch als Polwürfel bezeichnet, wird der Laserstrahl 1 1 in einen ersten Strahl 15 und einen zweiten Strahl 14, welcher gepunktet dargestellt ist, aufgeteilt. Der zweite Strahl 14 wird über einen Spiegel 16 zu einem polarisierenden Strahlteiler 18 gelenkt, während der erste Strahl 15 über einen Spiegel 17 zu dem polarisierenden Strahlteiler 18 ge- lenkt wird. Der polarisierende Strahlteiler 18 dient zum Zusammenführen des ersten Strahls 14 und des zweiten Strahls 15 in einen gemeinsamen Lichtweg. Durch diesen Aufbau weisen der erste Strahl 15 und der zweite Strahl 14 zueinander orthogonale Polarisationen auf. Bei einem Ausführungsbeispiel können die orthogonalen Polarisationen des ersten Strahls 15 und des zweiten Strahls 14 beispielsweise eine s-Polarisation und eine p-Polarisation sein. The exemplary embodiment of FIG. 1 comprises as the light source a laser 10, for example an infrared laser, which generates a laser beam 1 1. By a λ / 2 plate 12 and a polarizing beam splitter 13, also referred to as a pole cube, the laser beam 1 1 in a first beam 15 and a second beam 14, which is shown dotted divided. The second beam 14 is directed via a mirror 16 to a polarizing beam splitter 18, while the first beam 15 is directed via a mirror 17 to the polarizing beam splitter 18. The polarizing beam splitter 18 serves to merge the first beam 14 and the second beam 15 in a common light path. By this construction, the first beam 15 and the second beam 14 have mutually orthogonal polarizations. For example, in one embodiment, the orthogonal polarizations of the first beam 15 and the second beam 14 may be s-polarization and p-polarization.
Wie durch einen Pfeil angedeutet kann der Spiegel 16 und/oder der Spiegel 17 beweglich sein, um wie im Folgenden weiter erläutert werden wird eine Position einer durch den ersten Strahl 14 und/oder einer durch den zweiten Strahl 15 gebildeten optischen Pinzette zu verändern. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Elemente zum Verändern der Strahlposi- tion/Strahlrichtung vorgesehen sein, beispielsweise ein akustooptischer Deflektor, ein räumlicher Modulator (SLM, vom englischen Spatial Light Modulator), ein Galvanometer-Scanner oder ein anderes Positionierelement. As indicated by an arrow, the mirror 16 and / or the mirror 17 can be movable, as will be explained further below, to change a position of an optical tweezers formed by the first beam 14 and / or by the second beam 15. In other exemplary embodiments, other elements for changing the beam position / beam direction may also be provided, for example an acoustooptic deflector, a spatial spatial modulator (SLM), a galvanometer scanner or another positioning element.
Von dem Strahlteiler 18 werden der erste Strahl 14 und der zweite Strahl 15 durch einen Strahl- teiler 19, z.B. einen teildurchlässigen Spiegel und einen Strahlteiler 1 10 zu einem Fallenobjektiv 1 1 1 gelenkt, welches Teil eines Mikroskopaufbaus sein kann. Das Fallenobjektiv 1 1 1 fokussiert den ersten Strahl 15 und den zweiten Strahl 14 auf einen Objektträger 12. Auf bzw. in dem Objektträger 1 12 können sich Objekte 1 13, 1 14, beispielsweise biologische Objekte, befinden, beispielsweise in einer Flüssigkeit. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Objekt 1 13 in einer durch den ersten Strahl 15 gebildeten optischen Pinzette gefangen, während das Objekt 1 14 in einer durch den zweiten Strahl 14 gebildeten optischen Pinzette gefangen ist. Durch die beweglichen Spiegel 16 und/oder 17 unterscheiden sich dabei die Orte, in welchem das erste Objekt 1 13 bzw. das zweite Objekt 1 14 in der jeweiligen optischen Pinzette gefangen sind. Der Objektträger 1 12 kann von einer (nicht dargestellten) weiteren Lichtquelle, beispielsweise einer herkömmlichen Mikroskopbeleuchtung, beleuchtet werden. Das von Objekten auf dem Objektträger 1 12 gestreute Licht dieser weiteren Lichtquelle wird über das Fallenobjektiv 1 1 1 durch die Strahlteiler 1 10 und 19 hindurch zu einer Kamera 1 19 gelenkt, womit eine optische Kontrolle möglich ist. Dies kann einen Bediener beispielsweise bei der Steuerung der Spiegel 16 und/oder 17 unterstützen. From the beam splitter 18, the first beam 14 and the second beam 15 are separated by a beam splitter 19, e.g. a partially transmissive mirror and a beam splitter 1 10 to a trapping lens 1 1 1 steered, which may be part of a microscope assembly. The trap lens 1 1 1 focuses the first beam 15 and the second beam 14 on a slide 12. On or in the slide 1 12, objects 1 13, 1 14, such as biological objects are located, for example in a liquid. In the illustrated example, the object 1 13 is trapped in an optical tweezer formed by the first beam 15 while the object 14 is trapped in an optical tweezers formed by the second beam 14. By the movable mirrors 16 and / or 17, the locations differ in which the first object 1 13 and the second object 1 14 are trapped in the respective optical tweezers. The slide 1 12 can be illuminated by a further light source (not shown), for example a conventional microscope illumination. The scattered by objects on the slide 1 12 light of this further light source is on the trapping lens 1 1 1 through the beam splitter 1 10 and 19 passes through to a camera 1 19, whereby an optical control is possible. This may assist an operator in controlling the mirrors 16 and / or 17, for example.
Das von dem Objekt 1 13 rückgestreute Licht des ersten Strahls 15 und das von dem Objekt 1 14 rückgestreute Licht des zweiten Strahls 14 wird über das Fallenobjektiv 1 1 1 zu dem Strahl- teiler 1 10 gelenkt und dort aus dem Lichtweg zwischen dem Laser 10 und dem Fallenobjektiv 1 1 1 ausgekoppelt und zu einem polarisationsabhängigen Strahlteiler 1 16, beispielsweise einem Polwürfel, gelenkt, welcher das rückgestreute Licht des ersten Strahls 15 zu einem ersten Detektor 1 17 lenkt sowie das rückgestreute Licht des zweiten Strahls 14 zu einem zweiten Detek- tor 1 18 lenkt. Der erste Detektor 1 17 und der zweite Detektor 1 18 detektieren Veränderungen des rückgestreuten Lichts, beispielsweise Veränderungen der Position eines Intensitätsmaximums, wobei derartige Veränderungen beispielsweise durch Krafteinwirkungen auf das Objekt 1 13 bzw. das Objekt 1 14 und eine damit verbundene Positionsverschiebung des jeweiligen Objekts hervorgerufen werden können. Somit wird durch die Erzeugung zweier zueinander ortho- gonal polarisierter Lichtstrahlen 14, 15 sowie durch die Verwendung des polarisationsabhängigen Strahlteilers 1 16 eine getrennte Detektion einer auf das Objekt 1 13 wirkenden Kraft und einer auf das Objekt 1 14 wirkenden Kraft möglich, insbesondere in der in Figur 1 gezeigten rückwärtsstreuenden Geometrie. Der Strahlteiler 1 10, welcher zur Auskopplung des rückgestreuten Laserlichtes dient, kann für die zwei orthogonalen Polarisationen des ersten Strahls 14 und des zweiten Strahls 15 den gleichen Reflexionsgrad aufweisen. Der Reflexionsgrad kann dabei abhängig von einer benötigten Signalstärke an dem ersten Detektor 1 17 und dem zweiten Detektor 1 18 eingestellt sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können auch verschiedene Reflexionsgrade für die beiden orthogonalen Polarisationen vorgesehen sein. The light of the first beam 15 backscattered by the object 1 13 and the light of the second beam 14 backscattered by the object 1 14 is transmitted to the beam via the trap objective 1 1 1. divider 1 10 steered and there coupled out of the light path between the laser 10 and the trap lens 1 1 1 and to a polarization-dependent beam splitter 1 16, for example a pole cube, steered, which directs the backscattered light of the first beam 15 to a first detector 1 17 and the backscattered light of the second beam 14 to a second detector 1 18 directs. The first detector 1 17 and the second detector 1 18 detect changes in the backscattered light, such as changes in the position of an intensity maximum, such changes caused for example by force on the object 1 13 and the object 1 14 and a position shift associated therewith the respective object can be. Thus, by the generation of two mutually orthogonally polarized light beams 14, 15 and by the use of the polarization-dependent beam splitter 1 16, a separate detection of a force acting on the object 1 13 and force acting on the object 1 14 force is possible, in particular in the Figure 1 shown backward scattering geometry. The beam splitter 110, which serves for coupling out the backscattered laser light, can have the same degree of reflection for the two orthogonal polarizations of the first beam 14 and of the second beam 15. The reflectance can be adjusted depending on a required signal strength at the first detector 1 17 and the second detector 1 18. In other embodiments, different reflectivities may be provided for the two orthogonal polarizations.
Die Position des Strahlteilers 1 10, welche in Figur 1 dargestellt ist, ist dabei lediglich als Beispiel zu verstehen; die Auskopplung kann prinzipiell an jeder Stelle des rückgestreuten Strahlengangs erfolgen, beispielsweise wie dargestellt unmittelbar nach dem Fallenobjektiv 1 1 1 , aber auch bei der Kamera 1 19, z.B. an einem Kameraport, in einer Aperturblendenebene des Strahlengangs oder bei einer Einkopplung des Laserlichts in ein Mikroskop, wobei das Mikroskop z.B. das Fallenobjektiv 1 1 1 umfasst. The position of the beam splitter 1 10, which is shown in Figure 1, is to be understood only as an example; the decoupling can be done in principle at any point of the backscattered beam path, for example, as shown immediately after the trapping lens 1 1 1, but also in the camera 1 19, e.g. at a camera port, in an aperture plane of the beam path, or when the laser light is coupled into a microscope, the microscope e.g. the trap lens 1 1 1 includes.
Bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 können die Detektoren 1 17, 1 18 beispielsweise in der rückwärtigen Fokusebene der Anordnung positioniert sein. Zur Detektion einer Kraftwirkung kann dann eine Verschiebung eines Intensitätsmaximums des auf den jeweiligen Detektor 1 17, 1 18 fallenden Strahls detektiert werden. In the embodiment of Figure 1, the detectors 1 17, 1 18 may be positioned, for example, in the rear focal plane of the arrangement. In order to detect a force effect, a shift of an intensity maximum of the beam incident on the respective detector 1 17, 1 18 can then be detected.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann eine Teleskopanordnung vorgesehen sein, um eine Auslenkung des auf den jeweiligen Detektor treffenden Strahls in Abhängigkeit von einer auf das jeweilige Objekt 1 13, 1 14 wirkenden Kraft hervorzurufen. Derartige Teleskopanordnungen können auch unabhängig von der Verwendung von zwei optischen Pinzetten mit unterschiedlich polarisierten Strahlen, wie sie unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben wurde, verwendet werden. Verschiedene Beispiele für derartige Teleskopanordnungen werden im Folgenden näher erläutert. In other embodiments, a telescopic arrangement may be provided to cause a deflection of the incident on the respective beam beam in response to a force acting on the respective object 1 13, 1 14 force. Such telescoping arrangements can also be used independently of the use of two differently polarized beam optical tweezers as described with reference to FIG become. Various examples of such telescopic arrangements will be explained in more detail below.
Diesbezüglich zeigt Figur 2 eine optische Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbei- spiel der vorliegenden Erfindung. In this regard, Figure 2 shows an optical device according to another embodiment of the present invention.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 2 erzeugt ein Laser 20 einen Laserstrahl 21 , welcher über einen Spiegel 22 und einen Strahlteiler 23 durch einen Strahlteiler 24 hindurch zu einem Fallenobjektiv 25 gelenkt wird. Das Fallenobjektiv 25 fokussiert den Laserstrahl auf einen Ob- jektträger 216 und bildet so eine optische Pinzette, mit welcher ein Objekt 217 gefangen werden kann. In the exemplary embodiment of FIG. 2, a laser 20 generates a laser beam 21, which is directed via a mirror 22 and a beam splitter 23 through a beam splitter 24 to a trap objective 25. The trapping objective 25 focuses the laser beam onto an object carrier 216 and thus forms optical tweezers with which an object 217 can be caught.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel von Figur 1 kann der Objektträger 216 mit einer (nicht dargestellten) Lichtquelle beleuchtet werden und somit eine optische Kontrolle über eine Kamera 215 entsprechend der Kamera 1 19 der Figur 1 ermöglicht werden. As in the embodiment of FIG. 1, the slide 216 can be illuminated with a light source (not shown), thus allowing optical control via a camera 215 corresponding to the camera 1 19 of FIG.
Von dem Objekt 217 rückgestreutes Laserlicht wird nach Durchlaufen des Fallenobjektivs 25 durch den Strahlteiler 24 ausgekoppelt und zu einer Detektionseinnchtung 218 gelenkt. In der Detektionseinheit 218 wird der ausgekoppelte Laserstrahl durch ein Reduktionsteleskop, von dem eine Linse 29 und eine Linse 21 1 dargestellt ist, auf einen ersten Detektor 213 gelenkt. Laser light backscattered by the object 217 is decoupled by the beam splitter 24 after passing through the trap lens 25 and directed to a detection device 218. In the detection unit 218, the decoupled laser beam is directed through a reduction telescope, of which a lens 29 and a lens 21 1 are shown, onto a first detector 213.
Das Reduktionsteleskop 29, 21 1 ist dabei bevorzugt derart ausgestaltet, dass auf den ersten Detektor 213 ein divergenter Strahl trifft. In anderen Worten wird der üblicherweise im Wesentlichen parallele auf das Reduktionsteleskop 29, 21 1 fallende Strahl in einen divergenten Strahl umgewandelt. Dabei kann beispielsweise der Abstand der Linsen 29, 21 1 in einem Bereich von 0,5-0,9, bevorzugt 0,6-0,8 mal dem Linsenabstand für einen kollimierten Strahl nach Durchlaufen des Reduktionsteleskops sein. The reduction telescope 29, 21 1 is preferably configured in such a way that a divergent beam strikes the first detector 213. In other words, the beam, which is usually substantially parallel to the reduction telescope 29, 21 1, is converted into a divergent beam. In this case, for example, be the distance of the lenses 29, 21 1 in a range of 0.5-0.9, preferably 0.6-0.8 times the lens spacing for a collimated beam after passing through the reduction telescope.
Der Abstand des ersten Detektors 213 zu der Linse 21 1 kann dann derart gewählt sein, dass der durch den auftreffenden Strahl erzeugte Reflex nur einen Teil der Detektorfläche, beispielsweise zwischen 40% und 90% der Detektorfläche, beispielsweise ca. 80% der Detektorfläche ausleuchtet. Beispielsweise kann bei einer Brennweite der Linse 29 von ca. 80mm und einer Brennweite der Linse 21 1 von etwa -16mm der Abstand zum Detektor ca. 75mm betragen und der Abstand der Linsen 29, 21 1 kann etwa 45-52mm betragen, wobei in diesem Zahlenbeispiel bei 62mm Linsenabstand ein kollimierter, d.h. paralleler, Strahl auf den ersten Detektor 213 treffen würde. Ein Teleskopfaktor des durch die Linsen 29 und 21 1 gebildeten Reduktionsteleskops kann zwischen 2x und 10x, beispielsweise zwischen 4x und 5x liegen. The distance of the first detector 213 to the lens 21 1 can then be selected such that the reflection generated by the incident beam illuminates only a part of the detector surface, for example between 40% and 90% of the detector surface, for example about 80% of the detector surface. For example, at a focal length of the lens 29 of about 80mm and a focal length of the lens 21 1 of about -16mm the distance to the detector be about 75mm and the distance of the lenses 29, 21 1 can be about 45-52mm, in this For example, at 62mm lens pitch, a collimated, ie parallel, beam would strike the first detector 213. A telescope actuator of the reduction telescope formed by the lenses 29 and 21 1 can be between 2x and 10x, for example between 4x and 5x.
Die obigen Zahlenwerte sind jedoch lediglich als Beispiele zu verstehen, und es sind auch an- dere Werte möglich. However, the above numerical values are to be understood as examples only, and other values are possible.
Die Verwendung eines derartigen Reduktionsteleskops ist nicht nur bei der Detektion eines einzigen Strahls, sondern auch bei der Verwendung mehrerer Strahlen zur Ausbildung mehrerer optischer Pinzetten möglich. Insbesondere ist die Verwendung eines Reduktionsteleskops auch bei der Verwendung zweier orthogonal polarisierter Strahlen zur Ausbildung zweier Pinzetten wie unter Bezugnahme auf Figur 1 erläutert realisierbar. Hierzu kann beispielsweise in der De- tektionseinrichtung 218 optional ein polarisationsabhängiger Strahlteiler 210 entsprechend dem polarisationsabhängigen Strahlteiler 1 16 der Figur 1 bereitgestellt sein, welcher eine Polarisationstrennung durchführt und einen ersten Strahl mit einer ersten Polarisation auf den ersten De- tektor 213 lenkt, während er einen zweiten Strahl mit einer zweiten Polarisation auf einen zweiten Detektor 214 lenkt. Dieser polarisationsabhängige Strahlteiler 210 kann wie in Figur 2 dargestellt zwischen den Linsen 29 und 21 1 angeordnet sein. Eine weitere Linse 212 bildet zusammen mit der Linse 29 ein weiteres Reduktionsteleskop, mit welchem der zweite Strahl auf dem zweiten Detektor 214 abgebildet wird. In diesem Fall teilen sich das Reduktionsteleskop und das weitere Reduktionsteleskop also die Linse 29, während die Linsen 21 1 und 212 getrennt vorgesehen sind. Für den Abstand der Linse 212 zu der Linse 29 sowie den Abstand des zweiten Detektors 214 zu der Linse 212 gelten die obigen Ausführungen zu den Linsen 29, 21 1 und dem Detektor 213 entsprechend. Zwei orthogonal zueinander polarisierte Strahlen können dabei wie unter Bezugnahme auf Figur 1 erläutert mit einer λ/2-Platte und einem polarisierenden Strahlteiler erzeugt werden, es ist jedoch ebenso die Erzeugung zweier orthogonal polarisierter Strahlen mittels zweier getrennter Lichtquellen oder mittels anderer Arten von Polarisatoren möglich, beispielsweise durch Aufspaltung eines einzelnen Strahls mit einem nicht polarisierenden Strahlteiler und nachfolgenden Polarisatoren. Bei anderen Ausführungsbeispielen können sich die Strahlen auch hinsichtlich anderer Eigenschaften als der Polarisation unterscheiden, beispielsweise hinsichtlich der Wellenlänge, und die Trennung kann statt durch den Strahlteiler 210 dann z.B. mittels entsprechender Filter erfolgen. Bei Ausführungsbeispielen, bei welchen ein oder mehrere Strahlen zur Erzeugung von optischen Pinzetten z.B. wie unter Bezugnahme auf Fig. 1 erläutert bewegbar, z.B. verschiebbar sind, wie beispielsweise der erste Strahl 15 oder der zweite Strahl 14 des Ausführungsbeispiels von Figur 1 durch Bewegen des Spiegels 17 bzw. 16, kann ein Bewegen des Strahls dazu füh- ren, dass ein entsprechender Reflex nicht mehr zentral auf einem Detektor wie dem ersten Detektor 213 oder dem zweiten Detektor 214 auftrifft und somit bei einer Krafteinwirkung auf ein in der entsprechenden optischen Pinzette befindliches Objekt ein Undefiniertes Verhalten erzeugt, beispielsweise eine Auslenkung schräg zur Kraftwirkung, was eine Erfassung der wirkenden Kraft erschwert. The use of such a reduction telescope is possible not only in the detection of a single beam, but also in the use of multiple beams to form a plurality of optical tweezers. In particular, the use of a reduction telescope is also feasible when using two orthogonally polarized beams to form two tweezers as explained with reference to FIG. For this purpose, for example, a polarization-dependent beam splitter 210 corresponding to the polarization-dependent beam splitter 1 16 of FIG. 1 can optionally be provided in the detection device 218, which performs a polarization separation and directs a first beam with a first polarization onto the first detector 213, while a directs second beam with a second polarization to a second detector 214. This polarization-dependent beam splitter 210 can be arranged as shown in Figure 2 between the lenses 29 and 21 1. A further lens 212 forms, together with the lens 29, a further reduction telescope with which the second beam is imaged on the second detector 214. In this case, the reduction telescope and the further reduction telescope thus share the lens 29, while the lenses 21 1 and 212 are provided separately. For the distance of the lens 212 to the lens 29 and the distance of the second detector 214 to the lens 212, the above statements apply to the lenses 29, 21 1 and the detector 213 accordingly. Two beams polarized orthogonally to one another can thereby be produced with a λ / 2 plate and a polarizing beam splitter as explained with reference to FIG. 1, but it is also possible to generate two orthogonally polarized beams by means of two separate light sources or by means of other types of polarizers, for example, by splitting a single beam with a non-polarizing beam splitter and subsequent polarizers. In other embodiments, the beams may also differ in characteristics other than polarization, for example, in terms of wavelength, and the separation may then take place, for example, by means of corresponding filters instead of by the beam splitter 210. In embodiments in which one or more optical tweezer beams are movable, eg displaceable, eg as explained with reference to FIG. 1, such as the first beam 15 or the second beam 14 of the embodiment of FIG. 1 by moving the mirror 17 or 16, moving the beam may cause ren that a corresponding reflex is no longer centrally incident on a detector such as the first detector 213 or the second detector 214 and thus generates an undefined behavior when a force is applied to an object located in the corresponding optical tweezers, for example a deflection oblique to the force effect a detection of the acting force difficult.
Zur Kompensation können bei manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung ein oder mehrere bewegliche optische Elemente vorgesehen sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Figur 3 dargestellt. For compensation, in some embodiments of the invention, one or more movable optical elements may be provided. A corresponding embodiment is shown in FIG.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist in weiten Teilen eine Kombination der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 und 2. The embodiment of Figure 3 is in many parts a combination of the embodiments of Figures 1 and 2.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 werden wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 mit einem Laser 30, einer λ/2-Platte 319 und einem polarisierenden Strahlteiler 33 ein erster Strahl und ein zweiter Strahl erzeugt, wobei bei dem Ausführungsbeispiel in Figur 3 noch ein zusätzlicher (optionaler) Spiegel 32 im Strahlengang bereitgestellt ist. Der erste Strahl und der zweite Strahl können durch Spiegel 34, 35, welche in ihrer Funktion den Spiegel 16, 17 der Figur 1 entsprechen, bewegt, z.B. verschoben werden und werden über einen polarisierenden Strahlteiler 36, und einen Strahlteiler 37 durch einen Strahlteiler 38 zu einem Fallenobjektiv 39 gelenkt, wobei die Funktion der Elemente 36-39 der Funktion der Elemente 18, 19, 1 10 und 1 1 1 der Figur 1 entspricht. Als Beispiel für in einer der so gebildeten optischen Pinzetten gefangenen Objekt ist ein Objekt 310 in Figur 3 dargestellt. Es können aber wie unter Bezugnahme auf Figur 1 erläutert durch den ersten Strahl und den zweite Strahl zwei optische Pinzetten gebildet werden, in welchen entsprechend zwei Objekte gefangen werden. Das Objekt 310 kann sich wie unter Bezugnahme auf Figur 1 und 2 erläutert in bzw. auf einem Objektträger befinden. Zur Beobachtung des Objekts ist wie bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 eine Kamera 318 vorgesehen. Das von einem oder mehreren gefangenen Objekten rückgestreute Licht wird wie bei den vorherigen Ausführungsbeispielen durch den Strahlteiler 38 ausgekoppelt und zu einer Detektion- seinrichtung gelenkt. Diese umfasst einen polarisationsabhängigen Strahlteiler 312 zur Trennung der Strahlen wie unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben sowie Linsen 31 1 , 313 und 315, welche ein erstes Reduktionsteleskop 31 1 , 313 und ein zweites Reduktionsteleskop 31 1 , 315 bilden, entsprechend dem unter Bezugnahme auf Figur 2 für die Linsen 29, 21 1 und 212 beschriebenen. Ein erster Detektor 314 und ein zweiter Detektor 316 detektieren wie ebenfalls bereits unter Bezugnahme auf Figur 2 erläutert die vom ersten Reduktionsteleskop bzw. vom zweiten Reduktionsteleskop ausgegebenen Lichtstrahlen, um eine Kraftwirkung auf ein oder mehrere in optischen Pinzetten gefangene Objekte zu detektieren. In the embodiment of Figure 3, as in the embodiment of Figure 1 with a laser 30, a λ / 2 plate 319 and a polarizing beam splitter 33 generates a first beam and a second beam, wherein in the embodiment in Figure 3, an additional (optional) mirror 32 is provided in the beam path. The first beam and the second beam can be moved, for example displaced, by mirrors 34, 35 which in their function correspond to the mirrors 16, 17 of FIG. 1 and are transmitted via a polarizing beam splitter 36 and a beam splitter 37 through a beam splitter 38 a trajectory lens 39 is directed, wherein the function of the elements 36-39 corresponds to the function of the elements 18, 19, 1 10 and 1 1 1 of Figure 1. As an example of an object trapped in one of the optical tweezers thus formed, an object 310 is shown in FIG. However, as explained with reference to Figure 1, two optical tweezers may be formed by the first beam and the second beam, in which two objects are captured accordingly. The object 310 may be located in or on a slide as explained with reference to FIGS. 1 and 2. For observation of the object, a camera 318 is provided as in the embodiments of FIGS. 1 and 2. The light backscattered by one or more trapped objects is decoupled by the beam splitter 38 as in the previous embodiments and directed to a detection device. This comprises a polarization-dependent beam splitter 312 for separating the beams as described with reference to FIG. 1 and lenses 31 1, 313 and 315 which form a first reduction telescope 31 1, 313 and a second reduction telescope 31 1, 315, corresponding to FIG 2 described for the lenses 29, 21 1 and 212. As already explained with reference to FIG. 2, a first detector 314 and a second detector 316 detect those from the first reduction telescope or from the first second reduction telescope emitted light beams to detect a force on one or more objects trapped in optical tweezers.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 ist die Linse 313 beweglich, insbesondere senkrecht zur optischen Achse, um ein Bewegen des ersten Strahls durch den beweglichen Spiegel 35 auszugleichen und beispielsweise sicherzustellen, dass der von dem ersten Reduktionsteleskop 31 1 , 313 ausgegebene Strahl stets im Wesentlichen mittig auf den Detektor 314 fällt, so lange keine Kraft auf das jeweilige gefangene Objekt wirkt. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Linse 315 beweglich sein, um ein Bewegen des zweiten Strahls durch den beweglichen Spiegel 34 auszugleichen. Die Bewegung der Linsen 313, 315 wird bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 3 durch eine Steuerung 317 gesteuert. In the embodiment of Figure 3, the lens 313 is movable, in particular perpendicular to the optical axis, to compensate for moving the first beam through the movable mirror 35 and to ensure, for example, that the beam emitted by the first reduction telescope 31 1, 313 is always substantially centered on the detector 314 falls as long as no force acts on the respective captured object. Additionally or alternatively, the lens 315 may be movable to compensate for moving the second beam through the movable mirror 34. The movement of the lenses 313, 315 is controlled by a controller 317 in the embodiment of FIG.
Die Steuerung 317 kann beispielsweise mit der Steuerung der Spiegel 35 und/oder 34 gekoppelt sein oder direkt die Spiegel 35 und/oder 34 steuern und in Abhängigkeit von der Steuerung der Spiegel 35 und/oder 34 die Linse 313 und/oder 315 verfahren. The controller 317 may, for example, be coupled to the control of the mirrors 35 and / or 34 or directly control the mirrors 35 and / or 34 and move the lens 313 and / or 315 in response to the control of the mirrors 35 and / or 34.
Hierzu kann beispielsweise eine Kalibrierung durchgeführt werden und für jede Stellung des Spiegels 34 eine entsprechende Stellung der Linse 315 sowie für jede Stellung des Spiegels 35 eine Stellung der Linse 313 beispielsweise in einer Tabelle in der Steuerung 317 abgelegt wer- den und im Betrieb können dann die Linsen 313 und 315 entsprechend dieser Tabelle in Abhängigkeit von der Steuerung der Spiegel 35 bzw. 34 verfahren werden. For this purpose, for example, a calibration can be performed and for each position of the mirror 34 a corresponding position of the lens 315 and for each position of the mirror 35 a position of the lens 313 are stored, for example in a table in the controller 317 and in operation then the Lenses 313 and 315 according to this table in response to the control of the mirror 35 and 34 are moved.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Detektorsignal und/oder ein Bild der Kamera 318 zur Steuerung der Linse 313 und der Linse 315 verwendet werden. Bei wieder anderen Ausführungsbeispielen kann die Steuerung manuell durch einen Benutzer erfolgen. In another embodiment, the detector signal and / or an image of the camera 318 may be used to control the lens 313 and the lens 315. In still other embodiments, the control may be manual by a user.
Bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 -3 wird von einem oder mehreren Objekten rückwärtsgestreutes Licht zur Detektion einer Krafteinwirkung verwendet. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann auch vorwärtsgestreutes Licht verwendet werden. Ein Beispiel für eine Detektion von vorwärtsgestreutem Licht ist in Figur 4 dargestellt. Das Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist gleichsam eine Version des Ausführungsbeispiels von Figur 3, bei welcher statt dem rückwärtsgestreuten Licht vorwärtsgestreutes Licht zur Detektion einer Kraftwirkung verwendet wird. Eine entsprechende Verwendung des vorwärtsgestreuten Lichts ist jedoch beispielsweise auch für das Ausführungsbeispiel der Figur 2 möglich. In the exemplary embodiments of FIGS. 1 -3, backscattered light is used by one or more objects to detect a force effect. In other embodiments, forward scattered light may also be used. An example of detection of forward scattered light is shown in FIG. The embodiment of Figure 4 is as it were a version of the embodiment of Figure 3, in which instead of the backscattered light forward scattered light is used to detect a force effect. However, a corresponding use of the forward scattered light is also possible, for example, for the embodiment of Figure 2.
Bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 entsprechen die Funktionen eines Lasers 40, eines Spiegels 41 , einer λ/2-Platte 420, eines polarisierenden Strahlteilers 42, von Spiegeln 43 und 44, eines polarisierenden Strahlteilers 45, eines Strahlteilers 46, eines Fallenobjektivs 47 und einer Kamera 419 der bereits beschriebenen Funktion des Lasers 30, des Spiegels 32, der Abplatte 319, des polarisierenden Strahlteilers 33, der Spiegel 34 und 35, des polarisierenden Strahlteilers 36, des Strahlteilers 37, des Fallenobjektivs 39 und der Kamera 318 der Figur 3 und werden daher nicht nochmals detailliert erläutert. In the embodiment of Figure 4 correspond to the functions of a laser 40, a mirror 41, a λ / 2 plate 420, a polarizing beam splitter 42, of mirrors 43 and 44, a polarizing beam splitter 45, a beam splitter 46, a trapping objective 47 and a camera 419 of the already described function of the laser 30, the mirror 32, the Abplatte 319, the polarizing beam splitter 33, the mirrors 34 and 35, the polarizing beam splitter 36, the beam splitter 37, the tracer lens 39 and the camera 318 of Figure 3 and will therefore not be explained again in detail.
Bei der Darstellung der Figur 4 ist ein Objekt 48 in einer optischen Pinzette gefangen. Von dem Objekt 48 vorwärts gestreutes Licht wird durch ein Objektiv 49 aufgesammelt und über einen Spiegel 410 zu einer Detektionsanordnung 41 1 -417 gelenkt. Die Detektionsanordnung 41 1 -417 entspricht in ihrer Funktionsweise der Detektionsanordnung 31 1 -317 der Figur 3, und einander entsprechende Elemente tragen abgesehen von der linksstehenden 3 bzw. linksstehenden 4 die gleichen Bezugszeichen (Element 31 1 entspricht Element 41 1 etc.). Daher wird die Detekti- onseinrichtung nicht nochmals beschrieben. Insbesondere können auch bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 Linsen 413, 415 durch die Steuerung 417 verfahren werden, um Bewegungen der zur Erzeugung von optischen Pinzetten verwendeten Strahlen durch Bewegen der Spiegel 43, 44 ausgeglichen werden. In the illustration of Figure 4, an object 48 is trapped in optical tweezers. Light scattered forward by the object 48 is picked up by an objective 49 and directed via a mirror 410 to a detection arrangement 41 1 -417. The detection arrangement 41 1 -417 corresponds in its operation to the detection arrangement 31 1 -317 of FIG. 3, and corresponding elements carry the same reference symbols apart from the left-most 3 or left-hand 4 (element 31 1 corresponds to element 41 1 etc.). Therefore, the detection device will not be described again. In particular, lenses 413, 415 can also be moved by the controller 417 in the exemplary embodiment of FIG. 4 in order to compensate for movements of the beams used to generate optical tweezers by moving the mirrors 43, 44.
In Figur 5 ist ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, wobei dieses Verfahren beispielsweise im Wesentlichen wie bereits oben beschrieben in den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 implementiert sein kann, jedoch auch unabhängig von diesen konkreten Ausführungsbeispielen zum Einsatz kommen kann. FIG. 5 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention, wherein this method can be implemented essentially as already described above in the exemplary embodiments of FIGS. 3 and 4, but can also be used independently of these specific exemplary embodiments.
In Schritt 50 wird ein Objekt mit einem Laserstrahl, insbesondere einem eine optische Pinzette bildenden fokussierten Laserstrahl, beleuchtet oder gefangen. In Schritt 51 wird gestreutes Licht, beispielsweise vorwärts- oder rückwärtsgestreutes Licht, von dem Objekt durch ein Reduktionsteleskop auf einen Detektor gelenkt, um so auf das Objekt wirkende Kräfte detektieren zu können. In step 50, an object is illuminated or captured with a laser beam, in particular a focused laser beam forming an optical tweezers. In step 51, scattered light, for example forward or backward scattered light, is directed from the object through a reduction telescope to a detector so as to be able to detect forces acting on the object.
In Schritt 52 wird der Laserstrahl bewegt, und in Schritt 53 wird ein optisches Element, bei- spielsweise eine Linse, des Reduktionsteleskops bewegt, um die Bewegung des Laserstrahls aus Schritt 52 auszugleichen und eine gleichbleibende Detektion mit dem Detektor zu ermöglichen. In step 52, the laser beam is moved, and in step 53, an optical element, for example a lens, of the reduction telescope is moved to compensate for the movement of the laser beam from step 52 and to allow consistent detection with the detector.
Es ist zu bemerken, dass die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele lediglich Beispiele dar- stellen und eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich sind. Einige dieser Variationsmöglichkeiten werden im Folgenden detaillierter erläutert. Wie für das Ausführungsbeispiel der Figur 2 erläutert können auch die Ausführungsbeispiele der Figuren 3 und 4 nur für einen einzigen Strahl und somit eine einzige optische Pinzette realisiert werden. In diesem Fall wird beispielsweise bei der Detektion der polarisationsabhängige Strahlteiler 312, die Linse 315 und der Detektor 316 im Falle der Figur 3 oder der polarisations- abhängige Strahlteiler 412, die Linse 415 und der Detektor 416 im Falle der Figur 4 weggelassen, und die Aufteilung des von dem Laser 30 bzw. 40 emittierten Laserstrahls in zwei Strahlen mit orthogonaler Polarisation kann entfallen. It should be noted that the embodiments described above are merely examples and a variety of variants and modifications are possible. Some of these variations are explained in more detail below. As explained for the embodiment of Figure 2, the embodiments of Figures 3 and 4 can be realized only for a single beam and thus a single optical tweezers. In this case, for example, in the detection of the polarization-dependent beam splitter 312, the lens 315 and the detector 316 in the case of Figure 3 or the polarization-dependent beam splitter 412, the lens 415 and the detector 416 omitted in the case of Figure 4, and the division of the laser beam emitted by the laser 30 or 40 into two beams with orthogonal polarization can be omitted.
Während bei den dargestellten Ausführungsbeispielen eine Kamera zur Aufnahme eines Bildes einer Objektebene bereitgestellt ist, kann diese bei anderen Ausführungsbeispielen auch entfallen, oder es kann alternativ oder zusätzlich eine optische Kontrolle durch ein Mikroskop ohne Kamera vorgesehen sein. While in the illustrated embodiments, a camera is provided for receiving an image of an object plane, this can also be omitted in other embodiments, or it can be alternatively or additionally provided an optical control by a microscope without a camera.
Der Einsatz von Spiegel wie den Spiegeln 22, 32, 41 und 410 zur Lenkung von Strahlen hängt von der jeweils in einer spezifischen Realisierung gewünschten relativen Lage der verschiedenen Elemente zueinander ab, und je nach gewünschter Lage können Spiegel weggelassen werden, zusätzliche Spiegel vorgesehen werden oder Spiegel anders platziert werden. Zudem können zusätzliche optische Elemente wie Linsen vorgesehen sein, beispielsweise ein Teleskop zur Aufweitung des von dem Laser 10, 20, 30 oder 40 emittierten Strahls. The use of mirrors, such as mirrors 22, 32, 41 and 410, for directing beams depends on the relative position of the various elements desired in each specific implementation, and depending on the desired position mirrors can be omitted, additional mirrors can be provided or Mirrors are placed differently. In addition, additional optical elements such as lenses may be provided, for example a telescope for expanding the beam emitted by the laser 10, 20, 30 or 40.
Der verwendete Laser kann jeweils ein Infrarotlaser sein, es sind jedoch auch Laser anderer Wellenlängen möglich. The laser used may each be an infrared laser, but lasers of other wavelengths are also possible.
Während bei den dargestellten Ausführungsbeispielen für jeden eine optische Pinzette bilden- den Strahl die Detektion mittels eines einzigen Detektors erfolgt, kann bei anderen Ausführungsbeispielen auch eine weitere Aufteilung des jeweiligen Strahls vorgesehen sein, beispielsweise eine Aufteilung des Strahls nach der Linse 21 1 der Figur 2, beispielsweise zur getrennten Detektion für verschiedene Raumrichtungen. Bei einer weiteren Aufspaltung kann beispielsweise in Z-Richtung unabhängig detektiert werden. Whereas in the exemplary embodiments illustrated, the detection is effected by means of a single detector for each beam forming an optical tweezers, in other embodiments a further division of the respective beam can be provided, for example a division of the beam into the lens 21 1 of FIG. for example, for separate detection for different spatial directions. In a further splitting can be detected independently, for example, in the Z direction.
Die beschriebenen Reduktionsteleskope können beispielsweise als Galileiteleskop mit einer ersten plankonvexen Linse (Linse 29, 31 1 bzw. 41 1 ) und einer zweiten plankonkaven Linse (Linsen 21 1 , 212, 313, 315, 413, 415) realisiert sein. Somit kann erreicht werden, dass kein Fokuspunkt in der zweiten Linse und bei Verwendung eines Polwürfels zur Strahlaufspaltung kein Fokuspunkt im Polwürfel liegt. The described reduction telescopes can be realized, for example, as Galileitel telescopes with a first plano-convex lens (lens 29, 31 1 or 41 1) and a second plano-concave lens (lenses 21 1, 212, 313, 315, 413, 415). Thus, it can be achieved that no focal point in the second lens and when using a Polwürfels for beam splitting is no focus point in the pole cube.
Während bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 2-4 ein erstes Reduktionsteleskop und ein zweites Reduktionsteleskop beschrieben wurden, welche eine gemeinsame erste Linse und getrennte zweite Linsen aufweisen, können bei anderen Ausführungsbeispielen beispielsweise auch vollständig getrennte Reduktionsteleskope nach dem jeweiligen polarisationsabhängigen Strahlteiler angeordnet sein. Bei Ausführungsbeispielen, welche einen einzigen Strahl benutzen, kann die Auskopplung bei Rückwärtsstreuung statt mit Hilfe eines Strahlteilers wie dem Strahlteiler 24 oder 38 auch mit Hilfe eines Polwürfels erfolgen. While in the embodiments of Figures 2-4, a first reduction telescope and a second reduction telescope have been described which a common first lens and Having separate second lenses, in other embodiments, for example, completely separate reduction telescopes can be arranged according to the respective polarization-dependent beam splitter. In embodiments which use a single beam, the outcoupling in the case of backward scattering can also take place with the aid of a pole cube instead of with the aid of a beam splitter, such as the beam splitter 24 or 38.
Als Detektoren können beispielsweise Quadrantendioden oder Lineardetektoren verwendet werden. Ein derartiger Lineardetektor kann eindimensional oder zweidimensional ausgestaltet sein. Die Detektoren können justierbar sein, beispielsweise kann die Position der Detektoren verschiebbar sein. As detectors, for example, quadrant diodes or linear detectors can be used. Such a linear detector can be configured one-dimensionally or two-dimensionally. The detectors may be adjustable, for example the position of the detectors may be displaceable.
Zur quantitativen Messung der wirkenden Kraft kann die Position des von dem Reduktionstele- skop ausgegebenen Strahls auf den Detektor bestimmt werden und beispielsweise auf Basis einer vorher erfolgten Kalibrierung in eine Kraft umgerechnet werden. For the quantitative measurement of the acting force, the position of the beam emitted by the reduction telescope can be determined on the detector and, for example, converted into a force on the basis of a previously performed calibration.
Während bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 jeweils eine zweite Linse der Reduktionsteleskope als beweglich beschrieben wurde, kann auch die erste Linse zusätzlich oder alternativ beweglich sein. Bei anderen Ausführungsbeispielen können anstelle eines Aufbaus mit zwei Linsen andere optische Aufbauten, beispielsweise ein optischer Aufbau mit drei Linsen, verwendet werden, und dementsprechend können eine oder mehrere dieser optischen Elemente beweglich sein. Zum Ausgleichen eines Bewegens des Laserstrahls können die optischen Elemente dann insbesondere senkrecht zur optischen Achse verschiebbar sein. Zusätz- lieh können derartige optische Elemente auch in Richtung der optischen Achse verschiebbar sein, beispielsweise um eine Größe des Strahls auf dem jeweiligen Detektor zu verändern. While a second lens of the reduction telescopes has been described as being movable in the exemplary embodiments of FIGS. 3 and 4, the first lens may additionally or alternatively be movable. In other embodiments, instead of a dual lens design, other optical structures, such as a three lens optical assembly, may be used, and accordingly, one or more of these optical elements may be movable. To compensate for moving the laser beam, the optical elements can then be displaceable in particular perpendicular to the optical axis. In addition, such optical elements can also be displaceable in the direction of the optical axis, for example in order to change a size of the beam on the respective detector.
Wie bereits erwähnt können zwei orthogonal polarisierte Strahlen, beispielsweise ein s-polarisierter und ein p-polarisierter Strahl, nicht nur mittels einer λ 2-Platte und nachfolgendem polarisierenden Strahlteiler, sondern auch auf andere Weise erzeugt werden. As already mentioned, two orthogonally polarized beams, for example an s-polarized and a p-polarized beam, can be generated not only by means of a λ 2 plate and subsequent polarizing beam splitter, but also in other ways.
In den obigen Ausführungsbeispielen wurde beschrieben, wie eine Kraftwirkung auf ein in einer optischen Pinzette gefangenes Objekt detektiert werden kann, insbesondere über eine Detekti- on einer Positionsverschiebung mittels eines Detektors und eine entsprechende Kalibrierung, mit welcher der detektierten Positionsverschiebung eine entsprechende Kraft zugeordnet werden kann. Mit den erläuterten Vorrichtungen ist auch eine bloße Detektion einer Positionsverschiebung möglich. Beispielsweise kann eine Strahlintensität so gewählt werden, dass die im oder beim Fokus des Laserstrahls wirkenden Kräfte nicht ausreichen, das jeweils beleuchtete Objekt einzufangen. Durch die beschriebene Detektion können dann Positionsverschiebungen des Objekts erfasst werden und dann z.B. eine Position des Strahls entsprechend nachgeregelt werden, um so die Bewegung des Objekts verfolgen zu können (sog.„Particle Tracking"). Allgemein ist zu bemerken, dass für eines der obigen Ausführungsbeispiele beschriebene Abwandlungen auch auf die anderen Ausführungsbeispiele anwendbar sind, sofern nichts anderes vermerkt ist. In the above exemplary embodiments, it has been described how a force effect on an object trapped in an optical tweezer can be detected, in particular via a detection of a positional shift by means of a detector and a corresponding calibration with which a corresponding force can be assigned to the detected positional shift. With the devices explained also a mere detection of a position shift is possible. For example, a beam intensity can be chosen so that the forces acting in or at the focus of the laser beam are insufficient, which respectively illuminated Capture object. The described detection can then be used to detect positional shifts of the object and then, for example, to readjust a position of the beam in order to be able to track the movement of the object (particle tracking) Embodiments described modifications are also applicable to the other embodiments, unless otherwise noted.

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zur Detektion einer Positionsänderung von zwei Objekten (1 13, 1 14), umfassend: 1 . Method for detecting a change in position of two objects (1 13, 1 14), comprising:
Erzeugen eines ersten Lichtstrahls (14) mit einer ersten Polarisation, Generating a first light beam (14) having a first polarization,
Erzeugen eines zweiten Lichtstrahls (15) mit einer zu der ersten Polarisation orthogonalen zweiten Polarisation,  Generating a second light beam (15) having a second polarization orthogonal to the first polarization,
Beleuchten eines ersten Objekts (1 14) mit dem ersten Lichtstrahl (14),  Illuminating a first object (1 14) with the first light beam (14),
Beleuchten eines zweiten Objekts (1 13) mit zweiten Lichtstrahl (15), Illuminating a second object (1 13) with a second light beam (15),
Auskoppeln von vom ersten Objekt (1 14) rückgestreutem Licht und von vom zweiten Objekt (1 13) rückgestreutem Licht, Decoupling light backscattered from the first object (1 14) and backscattered light from the second object (1 13),
Trennen des von dem ersten Objekt rückgestreuten Licht von von dem zweiten Objekt (1 13) rückgestreuten Licht auf Basis der Polarisation und  Separating the light backscattered from the first object by light backscattered from the second object (1 13) based on the polarization and
getrenntes Detektieren des von dem ersten Objekt (1 14) rückgestreuten Lichts und des von dem zweiten Objekt (1 13) rückgestreuten Lichts. separately detecting the backscattered light from the first object (1 14) and the backscattered light from the second object (1 13).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend: 2. The method of claim 1, further comprising:
Fokussieren des ersten Lichtstrahls (14) zur Erzeugung einer ersten optischen Pinzette und des zweiten Lichtstrahls (15) zur Erzeugung einer zweiten optischen Pinzette.  Focusing the first light beam (14) to produce a first optical tweezer and the second light beam (15) to produce a second optical tweezer.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Auskoppeln ein Auskoppeln mit einem Strahlteiler (1 10; 24; 38) umfasst, wobei der Strahlteiler (1 10; 24; 38) für das von dem ersten Objekt (1 14) rückgestreute Licht den gleichen Auskopplungsgrad aufweist wie für das von dem zweiten Objekt (1 13) rückgestreute Licht. 3. The method of claim 1 or 2, wherein the decoupling comprises decoupling with a beam splitter (1 10; 24; 38), wherein the beam splitter (1 10; 24; 38) for the backscattered from the first object (1 14) light has the same degree of decoupling as for the backscattered by the second object (1 13) light.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -3, wobei das Erzeugen des ersten Lichtstrahls und das Erzeugen des zweiten Lichtststrahls ein Erzeugen eines Ursprungslichtstrahls und ein Lenken des Ursprungslichtstrahls durch ein polarisierenden Strahlteiler (13), um den ersten Lichtstrahl (14) und den zweiten Lichtstrahl (15) zu erzeugen, umfasst. 4. The method of claim 1, wherein generating the first light beam and generating the second light beam generate original light beam and directing the source light beam through a polarizing beam splitter to surround the first light beam and the second light beam To generate light beam (15) comprises.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -4, wobei das Auskoppeln erfolgt, nachdem der von dem ersten Objekt rückgestreute Strahl und der von dem zweiten Objekt rückwärts gestreute Strahl durch ein für das Fokussieren verwendete Objektiv (1 1 1 ) hindurchgegangen ist. 5. The method according to any one of claims 1-4, wherein the decoupling takes place after the beam backscattered by the first object and the beam scattered backward by the second object has passed through an objective (1 1 1) used for the focusing.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -5, weiterhin umfassend ein Lenken des ausgekoppelten von dem ersten Objekt rückgestreuten Strahls und des von dem zweiten Objekt rückgestreuten Strahls durch eine Teleskopanordnung (29, 21 1 , 214; 31 1 , 313, 315). The method of any of claims 1-5, further comprising directing the extracted backscattered beam from the first object and the beam backscattered from the second object through a telescope assembly (29, 21 1, 214, 31 1, 313, 315).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 -6, weiter umfassend ein Aufspalten des von dem ersten Objekt rückgestreuten Lichts und/oder des von dem zweiten Objekt rückgestreuten Lichtstrahls nach dem Trennen zur getrennten Detektion in verschiedenen Raumrichtungen. 7. The method of claim 1, further comprising splitting the light backscattered from the first object and / or the backscattered light beam from the second object after separation for separate detection in different spatial directions.
8. Vorrichtung zur Detektion einer Positionsänderung von zwei Objekten (1 13, 1 14), umfassend: 8. A device for detecting a change in position of two objects (1 13, 1 14), comprising:
eine Lichtquellenanordnung (10, 12, 13) zum Erzeugen eines ersten Lichtstrahls (14) mit einer ersten Polarisation und eines zweiten Lichtstrahls (15) mit einer zu der ersten Polarisation orthogonalen zweiten Polarisation, a light source arrangement (10, 12, 13) for generating a first light beam (14) having a first polarization and a second light beam (15) having a second polarization orthogonal to the first polarization,
ein Fokussierobjektiv (1 1 1 ) zum Fokussieren des ersten Lichtstrahls (14) und zum Fokussieren des zweiten Lichtstrahls (15), a focusing lens (1 1 1) for focusing the first light beam (14) and focusing the second light beam (15),
eine Auskoppeleinrichtung (1 10) zum Auskoppeln von von einem mit dem ersten Lichtstrahl (14) beleuchteten ersten Objekt (1 14) rückgestreuten Licht und einem von dem zweiten Lichtstrahl (15) beleuchteten zweiten Objekt (1 13) rückgestreuten Licht, a decoupling device (1 10) for decoupling light backscattered from a first object (1 14) illuminated by the first light beam (14) and a backscattered light from a second object (1 13) illuminated by the second light beam (15),
eine der Auskoppeleinrichtung (1 10) nachgeordnete Trenneinrichtung (1 16) zum Trennen des von dem ersten Objekt (1 14) rückgestreuten Lichts von dem vom zweiten Objekt (1 13) rückgestreuten Licht auf Basis der Polarisation, one of the decoupling device (1 10) downstream separation device (1 16) for separating the backscattered from the first object (1 14) light from the second object (1 13) backscattered light based on the polarization,
eine erste Detektionseinrichtung (1 17) zum Detektieren des von dem ersten Objekt (1 14) rückgestreuten Lichts, und a first detection device (17) for detecting the light backscattered by the first object (1 14), and
eine zweite Detektionseinrichtung (1 18) zum Detektieren des von dem zweiten Objekt (1 13) rückgestreuten Lichts. a second detection means (1 18) for detecting the backscattered from the second object (1 13) light.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9. Apparatus according to claim 8,
wobei die Lichtquellenanordnung (10, 12, 13) und das Fokussierobjektiv (1 1 1 ) zum Bilden einer ersten optischen Pinzette auf Basis des ersten Lichtstrahls (14) und einer zweiten optischen Pinzette auf Basis des zweiten Lichtstrahls (15) eingerichtet sind. wherein the light source assembly (10, 12, 13) and the focusing lens (1 1 1) are adapted to form a first optical tweezer based on the first light beam (14) and a second optical tweezer based on the second light beam (15).
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Auskoppeleinrichtung (1 10) für die erste Polarisation und die zweite Polarisation den gleichen Auskoppelgrad vorweist. 10. Apparatus according to claim 8 or 9, wherein the decoupling means (1 10) for the first polarization and the second polarization has the same coupling-out.
1 1 . Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-10, wobei die Trenneinrichtung einen polarisierenden Strahlteiler (1 16) umfasst. 1 1. Device according to one of claims 8-10, wherein the separating device comprises a polarizing beam splitter (1 16).
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-11, wobei die Auskoppeleinrichtung unmittelbar nach der Fokussiereinrichtung (111) angeordnet ist. 12. Device according to one of claims 8-11, wherein the decoupling device is arranged immediately after the focusing device (111).
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-12, weiter umfassend eine zwischen der Auskoppeleinrichtung (110) und der ersten und zweiten Detektoreinrichtung (117, 118) angeordnete Teleskopanordnung (29, 211, 214; 311, 313, 315). 13. Device according to one of claims 8-12, further comprising between the coupling-out device (110) and the first and second detector means (117, 118) arranged telescopic arrangement (29, 211, 214, 311, 313, 315).
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8-13, wobei die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-7 ausgestaltet ist. 14. Device according to one of claims 8-13, wherein the device for carrying out the method according to one of claims 1-7 is configured.
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