WO2023214499A1 - 光渦制御装置および光渦制御方法 - Google Patents

光渦制御装置および光渦制御方法 Download PDF

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WO2023214499A1
WO2023214499A1 PCT/JP2023/015035 JP2023015035W WO2023214499A1 WO 2023214499 A1 WO2023214499 A1 WO 2023214499A1 JP 2023015035 W JP2023015035 W JP 2023015035W WO 2023214499 A1 WO2023214499 A1 WO 2023214499A1
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optical vortex
optical
microscopic
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vortex
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知子 兵土
太郎 安藤
良幸 大竹
優 橋本
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浜松ホトニクス株式会社
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/08—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor
    • B01J19/12—Processes employing the direct application of electric or wave energy, or particle radiation; Apparatus therefor employing electromagnetic waves
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/32—Micromanipulators structurally combined with microscopes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/02—Details of features involved during the holographic process; Replication of holograms without interference recording

Definitions

  • the present disclosure relates to an optical vortex control device and an optical vortex control method.
  • the optical vortex has a phase singularity on the propagation axis, has a donut-shaped light intensity distribution in which the light intensity is 0 on the propagation axis and reaches a maximum at a certain distance from the propagation axis.
  • a light vortex is unique in that it has a donut-shaped light intensity distribution and also has orbital angular momentum.
  • the microscopic object receives angular momentum from the optical vortex and rotates along a trajectory of high light intensity around the propagation axis. That is, the optical vortex can optically trap microscopic objects in a medium and control the movement of the microscopic objects.
  • the light vortex irradiated to the microscopic object may not be as desired, and the movement of the microscopic object may not be as desired. It may not be the same. For example, even if you want to move a microscopic object at a constant speed on a perfectly circular trajectory, the trajectory of the microscopic object may become elliptical depending on the performance of the optical components and the adjustment accuracy when constructing the optical system. , the speed may fluctuate.
  • Non-Patent Documents 1 to 5 describe techniques for estimating aberrations of an optical system based on intensity information of optical vortices and correcting aberrations based on the estimation results to improve the precision of optical traps. There is. In the techniques described in Non-Patent Documents 4 and 5, the relationship between the aberration correction amount and intensity information is machine learned, and the aberration correction amount is determined from the intensity information.
  • Non-Patent Document 6 a modulation pattern presented on a modulation surface of a spatial light modulator is imaged onto a sample surface, and microscopic objects on the sample surface are optically trapped and moved. Then, the modulation pattern is adjusted based on the intensity information of the optical vortex and the motion information of the microscopic body.
  • the optical amplitude distribution on the sample surface is made desired. Furthermore, by adjusting the phase distribution of the modulation pattern presented on the modulation surface of the spatial light modulator based on the motion information of the microscopic body (specifically, the angular velocity distribution), the motion of the microscopic body can be controlled as desired. (specifically, to make the orbital angular momentum density distribution (OAM-density) uniform).
  • OAM-density orbital angular momentum density distribution
  • Non-Patent Documents 1 to 5 require a highly accurate optical device and complicated post-processing in order to obtain the intensity information of the optical vortex generated by a high NA objective lens, which is not easy.
  • the technique described in Non-Patent Document 6 has the same problems as the above-mentioned problems that the techniques described in Non-Patent Documents 1 to 5 have, and also has problems in adjusting the modulation pattern presented on the modulation surface of the spatial light modulator. This is also not easy since it is carried out in two stages.
  • the purpose of the embodiment is to provide an optical vortex control device and an optical vortex control method that can easily generate a desired optical vortex.
  • the embodiment is an optical vortex control device.
  • the optical vortex control device includes a light source that outputs light, an optical vortex generator that generates an optical vortex from this light, a condensing optical system that condenses the optical vortex, and an optical vortex that is condensed by the condensing optical system.
  • An imaging section that images a moving microscopic object that is optically trapped by the camera and outputs image data, and an optical vortex generating section that analyzes the movement of the microscopic object based on the image data and generates an optical vortex based on the analysis result.
  • a control unit that adjusts the phase distribution of the optical vortex.
  • the embodiment is an optical vortex control method.
  • the optical vortex control method uses a light source that outputs light, an optical vortex generator that generates an optical vortex from this light, and a condensing optical system that condenses the optical vortex.
  • An imaging step in which a microscopic body that is optically trapped by an optical vortex and moves is captured by an imaging unit and outputs image data, and the movement of the microscopic body is analyzed based on the image data, and a light vortex is generated based on the analysis result. and a control step of adjusting the phase distribution of the optical vortex generated by the unit.
  • a desired optical vortex can be easily generated.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical vortex control device 1.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating optical trapping of a microscopic body 91 by an optical vortex.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating optical trapping of the microscopic object 91 by an optical vortex.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the intensity distribution of the optical vortex at the sample positions (a) and (b).
  • FIG. 5 shows (a) a diagram showing the motion trajectory of a microscopic object before optical vortex generation adjustment when objective lens A is used, and (b) a diagram showing the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens A is used.
  • FIG. 6 is a graph showing the torque distribution of the microbody before and after the optical vortex generation adjustment when objective lens A is used.
  • FIG. 7 shows (a) a diagram showing the motion trajectory of a microscopic object before optical vortex generation adjustment when objective lens B is used, and (b) a diagram showing the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens B is used.
  • FIG. 8 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when objective lens B is used.
  • FIG. 9 shows (a) a diagram showing the motion locus of a microscopic object before optical vortex generation adjustment when objective lens C is used, and (b) a diagram showing the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens C is used.
  • FIG. 10 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when the objective lens C is used.
  • FIG. 11 shows (a) a diagram showing the motion trajectory of a microscopic object before optical vortex generation adjustment when objective lens D is used, and (b) a diagram showing the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens D is used.
  • FIG. 12 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when the objective lens D is used.
  • FIG. 13 shows (a) a diagram showing the motion locus of the microscopic body before optical vortex generation adjustment when objective lens E is used, and (b) a diagram showing the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens E is used.
  • FIG. 14 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when the objective lens E is used.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of an adjustment pattern for adjusting optical vortex generation.
  • FIG. 16 is a table summarizing the ellipticity and torque distribution dispersion values before and after the optical vortex generation adjustment when using each of the objective lenses A to E.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the optical vortex control device 1.
  • the optical vortex control device 1 is a device that controls the movement of microscopic objects in a medium in a sample 90, and includes a light source 10, an optical vortex generation section 20, lenses 30 to 33, an aperture 34, a dichroic mirror 40, an illumination section 50, It includes an imaging section 60 and a control section 70.
  • the medium in sample 90 is liquid or gas.
  • the shape of the microscopic bodies in the medium is arbitrary, and may be, for example, a sphere, a cube, a cone, or the like.
  • the material of the microscopic body is also arbitrary, and may be, for example, polystyrene beads, glass, crystal, or the like.
  • a microscopic object has a size and weight such that it can be optically trapped by an optical vortex in a medium.
  • the light source 10 outputs light.
  • light source 10 is a laser light source that produces coherent light.
  • the light output from the light source 10 preferably has a wavelength at which heat absorption by the medium in the sample 90 is small.
  • the optical vortex generator 20 is optically connected to the light source 10.
  • the optical vortex generation unit 20 receives the light output from the light source 10, generates an optical vortex, and outputs the generated optical vortex.
  • the optical vortex generated by the optical vortex generator 20 is a light beam having a helical wavefront, and is, for example, a Laguerre-Gauss beam or a Bessel beam.
  • a diffractive optical element, a spatial light modulator, or the like is preferably used as the optical vortex generator 20 preferably used.
  • a spatial light modulator has a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and can modulate at least the phase of light in each pixel and output the modulated light.
  • the spatial light modulator may also be capable of modulating the amplitude of light at each pixel. If such a spatial light modulator is used as the optical vortex generator 20, optical vortices of various shapes can be easily generated according to the modulation pattern to be set without changing the optical system, and optical vortices of various shapes can be easily generated without changing the optical system.
  • Various assessments can be made of the state of the body's light traps.
  • the spatial light modulator used as the optical vortex generator 20 may be of a transmission type or a reflection type, and in the latter case, an LCOS-SLM (Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator).
  • LCOS-SLM Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator
  • FIG. 1 a reflective spatial light modulator is shown as the optical vortex generator 20.
  • the light output from the light source 10 is obliquely incident on the optical vortex generator 20, but the light may be incident on the optical vortex generator 20 at an angle closer to perpendicular.
  • the lens 31, the aperture 34, the lens 32, the dichroic mirror 40, and the objective lens 30 constitute a condensing optical system that guides the optical vortex output from the optical vortex generator 20 to a microscopic object in the medium of the sample 90.
  • the rear focal position of the lens 31 and the front focal position of the lens 32 match each other.
  • the aperture 34 has an opening at the back focal position of the lens 31.
  • the lenses 31 and 32 are arranged so that the modulation surface of the optical vortex generator 20 and the pupil plane of the objective lens 30 are in a conjugate positional relationship with each other, and the image of the optical vortex output from the optical vortex generator 20 is transferred to the objective lens. The image is formed near the pupil plane of 30.
  • the dichroic mirror 40 reflects the light arriving from the lens 32 to the objective lens 30.
  • the objective lens 30 focuses the optical vortex onto the microscopic objects in the medium of the sample 90 to optically trap the microscopic objects.
  • a ⁇ /4 plate or a ⁇ /2 plate may be placed on the optical path of the optical vortex before it enters the objective lens 30 to control the rotational shape (circle, ellipse) of the microscopic body.
  • the illumination unit 50 is provided on the opposite side of the objective lens 30 with the sample 90 in between, and outputs illumination light to the sample 90. It is preferable that the illumination unit 50 outputs light of a wavelength different from the wavelength of the light output from the light source 10.
  • a white light source a mercury lamp, a laser light source, or the like is used.
  • the imaging unit 60 images the optically trapped and moving microscopic body illuminated by the illumination unit 50 via the objective lens 30, dichroic mirror 40, and lens 33, and outputs image data.
  • a CCD camera, a CMOS camera, or the like is used as the imaging unit 60.
  • Dichroic mirror 40 transmits light from sample 90 illuminated by illumination section 50 .
  • the control unit 70 analyzes the movement of the microscopic body based on the image data output from the imaging unit 60.
  • the control unit 70 controls the movement of the microscopic body by adjusting the phase distribution of the optical vortex generated by the optical vortex generation unit 20 based on the analysis result.
  • a computer or the like is used as the control unit 70.
  • the control unit 70 includes a processing unit including, for example, a CPU or FPGA, which analyzes the movement of the microscopic body and adjusts the generation of the optical vortex, and a processing unit that analyzes the movement of the microscopic body and adjusts the generation of the optical vortex, which is imaged by the imaging unit 60.
  • a display unit such as a liquid crystal display that displays modulation patterns and adjustment patterns for adjustment, an input unit such as a keyboard or mouse that receives adjustment conditions for optical vortex generation, instructions to start adjustment, etc., and a processing unit. It includes a storage unit including a hard disk drive, RAM, etc. that stores processing programs and various data.
  • FIGS. 2 and 3 are diagrams illustrating optical trapping of the microscopic body 91 by an optical vortex.
  • FIG. 2 shows a view in a direction perpendicular to the propagation axis of the optical vortex L.
  • FIG. 3 shows a view of the optical vortex L as seen in the propagation axis direction, and a donut-shaped region of the optical vortex L with high light intensity is indicated by hatching.
  • the optical vortex L can optically trap the microscopic object 91 in the medium 92 of the sample 90, and the microscopic object 91 can be rotated around the propagation axis. can.
  • the rotational movement of the microscopic body 91 is, for example, a circular movement or an elliptical movement.
  • FIGS. 4(a) and 4(b) are diagrams showing an example of the intensity distribution of the optical vortex at the sample position. This figure shows the light intensity on a plane perpendicular to the propagation axis using shading, and the closer the color is to white, the higher the light intensity is.
  • the optical vortex has a donut-shaped light intensity distribution in which the light intensity is maximum at a certain distance in the radial direction from the propagation axis.
  • Both of the light intensity distributions in FIGS. 4(a) and 4(b) are intended to generate a perfect circular light intensity distribution in which the light intensity is maximum at a certain distance in the radial direction from the propagation axis. The idea is to move a microscopic object optically trapped in a perfect circular orbit.
  • the light intensity distribution shown in FIG. 4(a) has a lower roundness than the light intensity distribution shown in FIG. It will be very different.
  • the reason why the light intensity distribution differs from the desired one is thought to be due to aberrations in the optical system caused by limitations in the performance of the optical components that make up the optical system of the optical vortex control device and in the adjustment accuracy when constructing the optical system. .
  • the aberration of the optical system is corrected based on the motion information of the optically trapped microscopic object, thereby bringing the light intensity distribution at the sample position closer to the desired one.
  • the optical vortex control method of this embodiment includes an imaging step and a control step.
  • the imaging unit 60 images the optically trapped and moving microscopic body and outputs image data.
  • the motion of the microscopic body is analyzed based on the image data, and the phase distribution of the optical vortex generated by the optical vortex generator 20 is adjusted based on the analysis result.
  • the optical vortex generator 20 may include one spatial light modulator, or may include two spatial light modulators that are optically connected in series.
  • the adjustment pattern (phase distribution) for adjusting the optical vortex generation obtained based on the analysis result of the movement of the microscopic body is used for adjusting the optical vortex generation before adjustment. What is necessary is to superimpose the modulation pattern on the modulation pattern for , and make one spatial light modulator present the modulation pattern after superimposition.
  • the optical vortex generation unit 20 includes two spatial light modulators
  • one spatial light modulator is made to present a modulation pattern for optical vortex generation before adjustment, and based on the analysis result of the movement of the microscopic body. What is necessary is to have the other spatial light modulator present the adjustment pattern (phase distribution) for optical vortex generation adjustment determined by the method.
  • control unit 70 preferably analyzes any one of the movement trajectory, position distribution, and torque distribution of the microscopic body as the movement of the microscopic body. Further, as the motion of the microscopic body, the sum of squares of the difference between the motion trajectory of the microscopic body and a desired trajectory may be analyzed, and any parameter related to the motion can be analyzed.
  • control unit 70 preferably analyzes either the velocity distribution or the angular velocity of the microscopic object as the movement of the microscopic object.
  • control unit 70 preferably determines the movement of the microscopic body based on a function whose variable is any one of the motion locus, position distribution, velocity distribution, angular velocity, and torque distribution of the microscopic body. To analyze.
  • the motion trajectory of the microscopic object obtained based on image data is approximated by an ellipse, and the ellipticity, which is the ratio of the short axis to the long axis of the ellipse, is determined.
  • the position distribution of microscopic objects for example, the circumferential direction around the propagation axis is divided into multiple sections at fixed angles, and in which of the multiple sections the microscopic object is present in each frame of image data can be determined.
  • the position distribution of the microscopic bodies in the circumferential direction around the propagation axis is determined by determining whether
  • the circumferential direction around the propagation axis is divided into multiple sections at fixed angles, and the torque of the microscopic object is determined in each of the multiple sections based on image data. Then, find the torque distribution of the microscopic body in the circumferential direction around the propagation axis.
  • the imaging unit 60 acquires image data at a constant frame rate using a plurality of pixels arranged two-dimensionally on an imaging surface that receives light from a microscopic body. Since the motion information of the microscopic body is acquired based on this image data, it is preferable that the following relationship exists between the exposure time of each frame and the motion of the microscopic body.
  • the position of the center of gravity of the micro object is determined by calculating the center of gravity for the image of the micro object in each frame image.
  • the exposure time of each frame is too long, the distance the microscopic object moves during the exposure becomes long, and the image of the microscopic object stretches in the direction of movement, making it difficult to accurately determine the position of the center of gravity of the microscopic object. It becomes difficult.
  • the moving distance of the microscopic object within the exposure time is smaller than the size of the image of the microscopic object on each frame image.
  • position information of the microscopic object can be obtained with an accuracy below the diffraction limit. Note that the moving distance of the microscopic body within the exposure time depends on the amount of optical vortex light.
  • the velocity vector of the microscopic object can be determined based on the position of the center of gravity of the microscopic object in the images of the frame at time t1 and the next frame at time t2, and furthermore, the velocity vector distribution of the microscopic object in the circumferential direction can be calculated. You can ask for it. However, if the difference between time t1 and time t2 is too large, it becomes difficult to distinguish the direction of rotation (clockwise/counterclockwise) of the microscopic body.
  • the product of the average angular velocity of the rotational motion of the microscopic body and the exposure time of each frame is smaller than 180°.
  • the control unit 70 uses one or more of these analysis results.
  • the optical vortex generation by the optical vortex generator 20 is adjusted so that the evaluation value based on the analysis result is minimized.
  • the optical vortex generation unit 20 when using a plurality of analysis results, for example, the optical vortex generation unit 20 generates an optical vortex so that the linear sum of evaluation values based on each analysis result is used as an evaluation function, and the value of this evaluation function becomes the minimum. Adjust.
  • a dispersion evaluation value B representing the degree of variation in the speed of movement of the microscopic body is determined based on the dispersion value of the position distribution or torque distribution of the microscopic body.
  • an evaluation function expressed by the formula ⁇ A+ ⁇ B is obtained using the coefficients ⁇ and ⁇ . Then, the optical vortex generation by the optical vortex generator 20 is adjusted so that the value of this evaluation function becomes the minimum value.
  • control unit 70 when the control unit 70 obtains an adjustment pattern for adjusting the optical vortex generation by the optical vortex generation unit 20 based on the analysis result, it is preferable that the control unit 70 expresses the adjustment pattern using a Zernike polynomial. In addition, it is preferable to obtain the adjustment pattern using an optimization method.
  • the Zernike polynomial is an orthogonal polynomial defined on the unit circle, and is represented by two exponents (non-negative integer n, integer m) and two variables (radius ⁇ , argument ⁇ ).
  • Zernike polynomials are used particularly in the field of optics to analytically handle axially symmetric optical aberrations based on diffraction theory. Furthermore, Zernike polynomials can also be used to represent an aberration correction pattern.
  • an annealing method for example, an annealing method, a genetic algorithm, a blind search, etc. can be used.
  • a coefficient of each aberration component can be obtained using an optimization method.
  • the control unit 70 superimposes the adjustment pattern for optical vortex generation adjustment obtained based on the analysis result of the movement of the microscopic body on the modulation pattern for optical vortex generation before adjustment, and controls the superposition.
  • the optical vortex generator 20 is caused to present the subsequent modulation pattern.
  • the control section 70 can adjust the optical vortex generation by the optical vortex generation section 20 and control the movement of the microscopic body.
  • the adjustment pattern may include both amplitude distribution and phase distribution, but may include only phase distribution.
  • the same person constructed the optical system of the optical vortex control device 1 using four objective lenses B to E.
  • the optical system of the optical vortex control device 1 was constructed by another person. Further, among the five objective lenses A to E, four objective lenses A to D had the same specifications, but the other objective lens E had different specifications.
  • the four objective lenses A to D are plan semi-apochromatic objective lenses corrected for chromatic aberration and curvature of field, and have high transmittance in a wide band from the ultraviolet region to the near-infrared region.
  • Plan semi-apochromatic objective lenses have higher specifications than achromatic objective lenses, and are suitable for use in optical vortex generation.
  • Objective lens E is an achromatic objective lens that corrects chromatic aberration in the visible range, and is the most common objective lens.
  • Achromatic objective lenses are said to be unsuitable for photography because when focused on the center of the field of view, the periphery becomes blurred.
  • a spatial light modulator was used as the optical vortex generator 20, and the hologram to be displayed was designed using the Kirk-Jones method.
  • the design parameters were a declination index of 2, a radial index of 0, and a beam size radius of 2.00 mm.
  • the radius of the optical vortex generated on the pupil plane of the objective lens is preferably 20% or more of the radius of the pupil plane.
  • polystyrene beads with a diameter of 0.40 ⁇ m were used as the microscopic bodies 91, and pure water was used as the medium 92.
  • Microscopic objects (polystyrene beads) floating in the medium (pure water) were optically trapped by an optical vortex focused by an objective lens.
  • the optical vortex is Optical vortex generation by the generation unit 20 .
  • the position of the center of gravity of the microscopic object in each frame of image data is plotted as a point on the xy plane, the motion trajectory of the microscopic object is approximated by an ellipse, and the minor axis of the ellipse and The ellipticity, which is the ratio to the major axis, was determined.
  • An ellipticity evaluation value A was determined based on this ellipticity.
  • the circumferential direction around the propagation axis is divided into 72 sections at a constant angle of 5 degrees, and the torque of the microscopic object is calculated in each section based on the image data.
  • the torque distribution of the microscopic body in the circumferential direction around the propagation axis was determined.
  • a dispersion evaluation value B was determined based on the dispersion value of this torque distribution.
  • FIG. 5(a) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body before optical vortex generation adjustment when objective lens A is used.
  • FIG. 5(b) is a diagram showing the movement locus of the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens A is used.
  • FIG. 6 is a graph showing the torque distribution of the microbody before and after the optical vortex generation adjustment when objective lens A is used.
  • FIG. 7(a) is a diagram showing the movement locus of the microbody before optical vortex generation adjustment when objective lens B is used.
  • FIG. 7(b) is a diagram showing the movement locus of the microscopic object after optical vortex generation adjustment when objective lens B is used.
  • FIG. 8 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when objective lens B is used.
  • FIG. 9(a) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body before adjusting the optical vortex generation when the objective lens C is used.
  • FIG. 9(b) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body after adjusting the optical vortex generation when the objective lens C is used.
  • FIG. 10 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when the objective lens C is used.
  • FIG. 11(a) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body before optical vortex generation adjustment when objective lens D is used.
  • FIG. 11(b) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body after adjusting the optical vortex generation when the objective lens D is used.
  • FIG. 12 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when the objective lens D is used.
  • FIG. 13(a) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body before optical vortex generation adjustment when objective lens E is used.
  • FIG. 13(b) is a diagram showing the movement locus of the microscopic body after adjusting the optical vortex generation when the objective lens E is used.
  • FIG. 14 is a graph showing the torque distribution of the microscopic body before and after the optical vortex generation adjustment when the objective lens E is used.
  • FIG. 6 are graphs in which the horizontal axis represents the angular position in the circumferential direction around the propagation axis, and the vertical axis represents the torque.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of an adjustment pattern for adjusting optical vortex generation. This adjustment pattern is a phase distribution expressed by a Zernike polynomial.
  • FIG. 16 is a table summarizing the ellipticity and torque distribution dispersion values before and after the optical vortex generation adjustment when using each of the objective lenses A to E.
  • the ellipticity could be brought closer to 1 after the optical vortex generation adjustment compared to before the optical vortex generation adjustment, and the motion locus of the microscopic body could be brought closer to a perfect circle.
  • the dispersion value of the torque distribution of the microscopic object in the circumferential direction around the propagation axis can be reduced, and the speed of the microscopic object's motion can be kept at a constant value. I was able to get close to.
  • an optical vortex that can bring the movement of an optically trapped microscopic body closer to the desired one, regardless of the performance of the optical components that make up the optical system or the adjustment accuracy when constructing the optical system. and can be adjusted.
  • Non-Patent Documents 1 to 6 it is not easy to adjust the generation of optical vortices because a highly accurate optical device and complicated post-processing are required to obtain the intensity information of optical vortices. On the other hand, in this embodiment, there is no need to acquire intensity information of the optical vortex, so it is easy to adjust the generation of the optical vortex.
  • Non-Patent Document 6 since the modulation pattern presented to the spatial light modulator is adjusted in two stages: amplitude distribution adjustment and phase distribution adjustment, it is not easy to adjust optical vortex generation. On the other hand, in this embodiment, only the phase distribution adjustment is required, so that the optical vortex generation can be easily adjusted. Further, in this embodiment, only phase distribution adjustment is required, which is also preferable in that light loss can be suppressed.
  • optical vortex control device and the optical vortex control method are not limited to the embodiments and configuration examples described above, and various modifications are possible.
  • the optical vortex control device of the first aspect according to the above embodiment includes a light source that outputs light, an optical vortex generator that generates an optical vortex from the light, a condensing optical system that condenses the optical vortex, and a condensing optical system.
  • an imaging unit that images a moving microscopic object that is optically trapped by a light vortex focused by the system and outputs image data;
  • a control unit that adjusts the phase distribution of the optical vortex generated by the optical vortex generator.
  • the optical vortex generator in the configuration of the first aspect, has a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and modulates at least the phase of light in each pixel and outputs the spatial light modulation unit. It is also possible to have a configuration including a container.
  • control unit in the configuration of the second aspect, the control unit superimposes the adjustment pattern for optical vortex generation adjustment on the modulation pattern for optical vortex generation, and the modulation pattern after the superimposition. It is also possible to have a configuration in which the spatial light modulator is made to present the information.
  • control section in the configuration of the third aspect, may be configured to obtain the adjustment pattern as a phase distribution.
  • control unit in the configuration of the third or fourth aspect, may be configured to obtain the adjustment pattern using Zernike polynomials.
  • control unit may be configured to obtain the adjustment pattern using an optimization method.
  • control unit selects one of the motion trajectory, position distribution, and torque distribution of the microscopic body as the movement of the microscopic body. It may also be configured to analyze.
  • control unit is configured to analyze either a velocity distribution or an angular velocity of the microscopic body as the movement of the microscopic body. Good too.
  • the control unit controls the movement trajectory, position distribution, velocity distribution, angular velocity, and torque distribution of the microscopic object as the movement of the microscopic object.
  • a configuration may be adopted in which analysis is performed based on a function that uses any one of them as a variable.
  • the optical vortex control method of the first aspect uses a light source that outputs light, an optical vortex generator that generates an optical vortex from this light, and a condensing optical system that condenses the optical vortex.
  • An imaging step in which a moving microscopic object is optically trapped by a light vortex focused by the optical optical system and outputted to image data, and an imaging step in which the movement of the microscopic object is analyzed based on the image data and the and a control step of adjusting the phase distribution of the optical vortex generated by the optical vortex generator based on the analysis result.
  • the optical vortex generator in the configuration of the first aspect, has a plurality of pixels arranged two-dimensionally, and modulates at least the phase of light in each pixel and outputs the spatial light modulator. It is also possible to have a configuration including a container.
  • an adjustment pattern for optical vortex generation adjustment is superimposed on a modulation pattern for optical vortex generation, and the modulation pattern after the superimposition is It is also possible to have a configuration in which the spatial light modulator is made to present the information.
  • the adjustment pattern may be determined as a phase distribution in the control step.
  • the adjustment pattern may be determined using Zernike polynomials in the control step.
  • the adjustment pattern may be determined using an optimization method in the control step.
  • any one of the movement trajectory, position distribution, and torque distribution of the minute body is determined as the movement of the minute body. It may also be configured to analyze.
  • the movement trajectory, position distribution, velocity distribution, angular velocity, and torque distribution of the minute body are controlled as the movement of the minute body.
  • a configuration may be adopted in which analysis is performed based on a function that uses any one of them as a variable.
  • the embodiments can be used as an optical vortex control device and an optical vortex control method that can easily generate a desired optical vortex.
  • Optical vortex control device 10... Light source, 20... Optical vortex generation part, 30-33... Lens, 34... Aperture, 40... Dichroic mirror, 50... Illumination part, 60... Imaging part, 70... Control part, 90... sample, 91... microscopic body, 92... medium.

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Abstract

光渦制御装置１は、サンプル９０における媒質中の微小体の動きを制御する装置であって、光源１０、光渦生成部２０、レンズ３０～３３、アパーチャ３４、ダイクロイックミラー４０、照明部５０、撮像部６０および制御部７０を備える。対物レンズ３０は、光渦生成部２０により生成された光渦をサンプル９０における媒質中の微小体に集光照射して、微小体を光トラップする。撮像部６０は、光トラップされて運動している微小体を撮像して、画像データを出力する。制御部７０は、画像データに基づいて微小体の運動を解析し、その解析結果に基づいて、光渦生成部２０により生成される光渦の位相分布を調整して、微小体の運動を制御する。これにより、所望の光渦を容易に生成することができる光渦制御装置が実現される。

Description

光渦制御装置および光渦制御方法
　本開示は、光渦制御装置および光渦制御方法に関するものである。
　光渦により媒質中の微小体を光トラップする技術が知られている。光渦は、伝搬軸上に位相特異点を有し、伝搬軸上では光強度が０であり、伝搬軸から或る距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。
　光渦は、ドーナツ型の光強度分布を有する他、軌道角運動量を有する点でも特徴的である。軌道角運動量を有する光渦が媒質中の微小体に照射されると、その微小体は、光渦から角運動量を受け取り、伝搬軸の周りの光強度が大きい軌道に沿って回転する。すなわち、光渦は、媒質中の微小体を光トラップするとともに、微小体の運動を制御することができる。
　光源から微小体に至るまでの光学系にある光学部品の性能や光学系構築時の調整精度によっては、微小体に照射される光渦が所望のものとはならず、微小体の運動が所望のものとはならない場合がある。例えば、真円の軌道上を一定速さで微小体を運動させたい場合であっても、光学部品の性能や光学系構築時の調整精度によっては、微小体の運動の軌跡が楕円になったり、速さが変動したりする場合がある。
　非特許文献１～５には、光渦の強度情報に基づいて光学系の収差を推定し、この推定結果に基づいて収差補正を行うことで光トラップの高精度化を図る技術が記載されている。非特許文献４，５に記載された技術では、収差補正量と強度情報との関係を機械学習して、強度情報から収差補正量を求める。
　非特許文献６に記載された技術では、空間光変調器の変調面に提示した変調パターンをサンプル面に結像して、そのサンプル面にある微小体を光トラップして運動させる。そして、光渦の強度情報および微小体の運動情報に基づいて変調パターンを調整する。
　具体的には、空間光変調器の変調面に提示する変調パターンに対して光渦の強度情報に基づいて位相格子パターンを加えることで、サンプル面における光振幅分布を所望のものとする。さらに、空間光変調器の変調面に提示する変調パターンに対して微小体の運動情報（具体的には角速度分布）に基づいて位相分布を調整することで、微小体の運動を所望のものとする（具体的には軌道角運動量密度分布（OAM-density）を均一化する）。
S. N. Khonina, et al., "Strengthening the longitudinal component of the sharply focused electric field by means of higher-order laser beams", Optics Letters, Vol.38, No.17, pp.3223-3226, 2013 Y. Iketaki, et al., "Investigation of the center intensity of first- and second-order Laguerre-Gaussian beams with linear and circular polarization", Optics Letters, Vol.32, No.16, pp.2357-2359, 2007 Yansheng Liang, et al., "Aberration correction in holographic optical tweezers using a high-order optical vortex", Applied Optics, Vol.57, No.13, pp.3618-3623, 2018 Benjamin P. Cumming, et al., "Direct determination of aberration functions in microscopy by an artificial neural network", Optics Express, Vol.28, No.10, pp.14511-14521, 2020 Jin Li, et al., "Study on Aberration Correction of Adaptive Optics Based on Convolutional Neural Network", Photonics, Vol.8, 377, pp.1-9, 2021 Mingzhou Chen, et al., "Dynamics of microparticles trapped in a perfect vortex beam", Optics Letters, Vol.38, No.22, pp.4919-4922, 2013
　非特許文献１～５に記載された技術は、高ＮＡの対物レンズで生成した光渦の強度情報を取得するには、高精度な光学装置や複雑な後処理が必要であり、容易でない。非特許文献６に記載された技術は、非特許文献１～５に記載された技術が有する上記問題点と同様の問題点を有する他、空間光変調器の変調面に提示する変調パターンの調整を２段階で行うことから、この点でも容易でない。
　実施形態は、所望の光渦を容易に生成することができる光渦制御装置および光渦制御方法を提供することを目的とする。
　実施形態は、光渦制御装置である。光渦制御装置は、光を出力する光源と、この光から光渦を生成する光渦生成部と、光渦を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された光渦により光トラップされて運動する微小体を撮像して画像データを出力する撮像部と、画像データに基づいて微小体の運動を解析して、当該解析結果に基づいて光渦生成部により生成される光渦の位相分布を調整する制御部と、を備える。
　実施形態は、光渦制御方法である。光渦制御方法は、光を出力する光源と、この光から光渦を生成する光渦生成部と、光渦を集光する集光光学系とを用い、集光光学系により集光された光渦により光トラップされて運動する微小体を撮像部により撮像して画像データを出力する撮像ステップと、画像データに基づいて微小体の運動を解析して、当該解析結果に基づいて光渦生成部により生成される光渦の位相分布を調整する制御ステップと、を備える。
　実施形態の光渦制御装置および光渦制御方法によれば、所望の光渦を容易に生成することができる。
図１は、光渦制御装置１の構成を示す図である。 図２は、光渦による微小体９１の光トラップを説明する図である。 図３は、光渦による微小体９１の光トラップを説明する図である。 図４は、（ａ）、（ｂ）サンプル位置における光渦の強度分布の一例を示す図である。 図５は、（ａ）対物レンズＡを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図、及び（ｂ）対物レンズＡを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。 図６は、対物レンズＡを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。 図７は、（ａ）対物レンズＢを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図、及び（ｂ）対物レンズＢを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。 図８は、対物レンズＢを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。 図９は、（ａ）対物レンズＣを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図、及び（ｂ）対物レンズＣを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。 図１０は、対物レンズＣを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。 図１１は、（ａ）対物レンズＤを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図、及び（ｂ）対物レンズＤを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。 図１２は、対物レンズＤを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。 図１３は、（ａ）対物レンズＥを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図、及び（ｂ）対物レンズＥを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。 図１４は、対物レンズＥを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。 図１５は、光渦生成調整の為の調整パターンの一例を示す図である。 図１６は、対物レンズＡ～Ｅそれぞれを用いた場合の光渦生成調整の前後の楕円率およびトルク分布の分散値を纏めた表である。
　以下、添付図面を参照して、光渦制御装置および光渦制御方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　図１は、光渦制御装置１の構成を示す図である。光渦制御装置１は、サンプル９０における媒質中の微小体の動きを制御する装置であって、光源１０、光渦生成部２０、レンズ３０～３３、アパーチャ３４、ダイクロイックミラー４０、照明部５０、撮像部６０および制御部７０を備える。
　サンプル９０における媒質は液体または気体である。媒質中の微小体の形状は、任意であり、例えば球体、立方体および円錐体等であってもよい。微小体の材料も、任意であり、例えばポリスチレンビーズ、ガラス、水晶等であってもよい。微小体は、媒質中において光渦により光トラップされ得る程度のサイズおよび重さを有する。
　光源１０は光を出力する。光源１０はコヒーレント光を生成するレーザ光源であるのが好ましい。光源１０から出力される光は、サンプル９０における媒質による熱吸収が小さい波長であるのが好ましい。
　光渦生成部２０は、光源１０と光学的に接続されている。光渦生成部２０は、光源１０から出力された光を入力して光渦を生成し出力する。光渦生成部２０が生成する光渦は、螺旋波面を持つ光ビームであり、例えばラゲールガウスビームやベッセルビームである。光渦生成部２０として、回折光学素子や空間光変調器等が好適に用いられる。
　空間光変調器は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において少なくとも光の位相を変調して出力することができる。空間光変調器は、各画素において光の振幅をも変調することができるものであってもよい。このような空間光変調器を光渦生成部２０として用いれば、光学系を変更することなく、設定される変調パターンに応じて、様々な形態の光渦を容易に生成することができ、微小体の光トラップの状態について様々な評価をすることができる。
　光渦生成部２０として用いられる空間光変調器は、透過型のものであってもよいし、反射型のものであってもよく、また、後者の場合にはＬＣＯＳ-ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon - Spatial Light Modulator）であってもよい。図１では、光渦生成部２０として反射型の空間光変調器が示されている。図１では、光源１０から出力された光が光渦生成部２０へ斜め入射しているが、より垂直に近い角度で光が光渦生成部２０へ入射してもよい。
　レンズ３１，アパーチャ３４，レンズ３２，ダイクロイックミラー４０および対物レンズ３０は、光渦生成部２０から出力された光渦をサンプル９０における媒質中の微小体に導く集光光学系を構成している。
　レンズ３１の後側焦点位置とレンズ３２の前側焦点位置とは互いに一致している。アパーチャ３４は、レンズ３１の後側焦点位置に開口を有する。レンズ３１およびレンズ３２は、光渦生成部２０の変調面と対物レンズ３０の瞳面とが互いに共役な位置関係になるようにし、光渦生成部２０から出力された光渦の像を対物レンズ３０の瞳面付近に結像させる。
　ダイクロイックミラー４０は、レンズ３２から到達した光を対物レンズ３０へ反射させる。対物レンズ３０は、光渦をサンプル９０における媒質中の微小体に集光照射して、微小体を光トラップする。対物レンズ３０に入射する前の光渦の光路上にλ／４板またはλ／２板を配置して、微小体の回転形状（円、楕円形）を制御することもできる。
　照明部５０は、サンプル９０を挟んで対物レンズ３０と反対の側に設けられ、サンプル９０へ照明光を出力する。照明部５０は、光源１０から出力される光の波長と異なる波長の光を出力することが好ましい。照明部５０として、白色光源、水銀ランプ、レーザ光源等が用いられる。
　撮像部６０は、光トラップされて運動し照明部５０により照明された微小体を、対物レンズ３０，ダイクロイックミラー４０およびレンズ３３を介して撮像して、画像データを出力する。撮像部６０として、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳカメラ等が用いられる。ダイクロイックミラー４０は、照明部５０により照明されたサンプル９０からの光を透過させる。
　制御部７０は、撮像部６０から出力された画像データに基づいて微小体の運動を解析する。制御部７０は、その解析結果に基づいて、光渦生成部２０により生成される光渦の位相分布を調整して、微小体の運動を制御する。制御部７０としてコンピュータ等が用いられる。
　制御部７０は、微小体の運動の解析や光渦生成の調整等を行う例えばＣＰＵまたはＦＰＧＡ等を含む処理部、撮像部６０により撮像された微小体の運動の様子や光渦生成の為の変調パターンや調整の為の調整パターン等を表示する例えば液晶ディスプレイ等の表示部、光渦生成の調整条件や調整開始の指示等を受け付ける例えばキーボードやマウス等の入力部、ならびに、処理部が行う処理のプログラムや各種データ等を記憶するハードディスクドライブやＲＡＭ等を含む記憶部、を備える。
　図２および図３は、光渦による微小体９１の光トラップを説明する図である。図２は、光渦Ｌの伝搬軸に垂直な方向に見た図を示す。図３は、光渦Ｌの伝搬軸方向に見た図を示し、光渦Ｌのドーナツ状の光強度が大きい領域をハッチングで示す。サンプル９０に光渦Ｌを集光照射すると、その光渦Ｌは、サンプル９０における媒質９２中の微小体９１を光トラップすることができ、その微小体９１を伝搬軸の周りに回転させることができる。微小体９１の回転運動は例えば円運動または楕円運動である。
　図４（ａ）および（ｂ）は、サンプル位置における光渦の強度分布の一例を示す図である。この図は、伝搬軸に対して垂直な面上における光強度を濃淡で示しており、白色に近いほど光強度が大きいことを示している。
　この図に示されるように、光渦は、伝搬軸から径方向の或る距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。図４（ａ）および（ｂ）の何れの光強度分布も、伝搬軸から径方向の一定の距離のところで光強度が最大となる真円状の光強度分布を生成することを意図し、これにより光トラップした微小体を真円の軌道上を運動させることを意図したものである。
　しかし、図４（ａ）に示される光強度分布は、図４（ｂ）に示される光強度分布と比べると、真円度が低く、その結果、光トラップした微小体の運動軌跡が真円と大きく異なるものとなる。光強度分布が所望のものと異なる原因は、光渦制御装置の光学系を構成する光学部品の性能や光学系構築時の調整精度に限界があることにより生じる光学系の収差であると考えられる。
　本実施形態では、光トラップされた微小体の運動情報に基づいて光学系の収差を補正することで、サンプル位置における光強度分布を所望のものに近づける。本実施形態の光渦制御方法は、撮像ステップおよび制御ステップを備える。
　撮像ステップでは、光トラップされて運動する微小体を撮像部６０により撮像して画像データを出力する。制御ステップでは、その画像データに基づいて微小体の運動を解析して、その解析結果に基づいて光渦生成部２０により生成される光渦の位相分布を調整する。
　なお、光渦生成部２０は、１個の空間光変調器を含んでいてもよいし、光学的に直列に接続されて設けられた２個の空間光変調器を含んでいてもよい。光渦生成部２０が１個の空間光変調器を含む場合、微小体の運動の解析結果に基づいて求めた光渦生成調整の為の調整パターン（位相分布）を、調整前の光渦生成の為の変調パターンに重畳して、その重畳後の変調パターンを１個の空間光変調器に提示させればよい。
　また、光渦生成部２０が２個の空間光変調器を含む場合、調整前の光渦生成の為の変調パターンを一方の空間光変調器に提示させ、微小体の運動の解析結果に基づいて求めた光渦生成調整の為の調整パターン（位相分布）を他方の空間光変調器に提示させればよい。
　制御ステップにおいて、制御部７０は、微小体の運動として、好適には、微小体の運動軌跡、位置分布およびトルク分布のうちの何れかを解析する。また、微小体の運動として、微小体の運動軌跡と所望の軌跡との差の二乗和を解析してもよく、運動に関する任意のパラメータを解析することができる。
　また、制御ステップにおいて、制御部７０は、微小体の運動として、好適には、微小体の速度分布および角速度のうちの何れかを解析する。また、制御ステップにおいて、制御部７０は、微小体の運動として、好適には、微小体の運動軌跡、位置分布、速度分布、角速度およびトルク分布のうちの何れかを変数とする関数に基づいて解析する。
　微小体の運動軌跡の解析では、例えば、画像データに基づいて得られる微小体の運動軌跡を楕円で近似して、その楕円の短径と長径との比である楕円率を求める。微小体の位置分布の解析では、例えば、伝搬軸の周りの周方向を一定角度毎に複数の区間に区分して、画像データの各フレームにおいて微小体が複数の区間のうちのどの区間に存在するかを求めることで、伝搬軸の周りの周方向における微小体の位置分布を求める。
　また、微小体のトルク分布の解析では、例えば、伝搬軸の周りの周方向を一定角度毎に複数の区間に区分して、画像データに基づいて複数の区間それぞれにおいて微小体のトルクを求めることで、伝搬軸の周りの周方向における微小体のトルク分布を求める。
　微小体が回転運動している場合、平均角速度ω、トルクＮおよび粘性抵抗係数Γの間には下記（１）式で表される関係がある。粘性抵抗係数Γは、ブラウン運動の揺動散逸定理（Fluctuation Dissipation Theorem）に従って角速度の統計的分散から定められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　一定回転力の下で円軌道のブラウン運動を示す微小体の角速度情報の統計的集合｛ωｉ｝（ｉ＝１，２，…，Ｍ）が与えられたとき、揺動散逸定理は下記（２）式および（３）式で表される。Ｔは絶対温度であり、ｋＢはボルツマン定数であり、Δωは角速度の分散である。なお、実験データから正しい角速度分散を算出する補正をしてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　撮像部６０は、微小体からの光を受光する撮像面に２次元配列された複数の画素により、一定のフレームレートで画像データを取得する。この画像データに基づいて微小体の運動情報を取得することから、各フレームの露光時間と微小体の運動との間には次のような関係があることが好ましい。
　各フレームの画像における微小体の像について重心演算を行うことにより、微小体の重心位置を求める。ただし、各フレームの露光時間が長すぎると、その露光中の微小体の移動距離が長くなって、微小体の像が移動方向に伸びてしまうので、微小体の重心位置を正確に求めることが困難となる。
　したがって、微小体の重心位置を正確に求める為には、各フレームの画像上において、露光時間内の微小体の移動距離は微小体の像のサイズより小さいことが好ましい。重心演算によって回折限界以下の精度で微小体の位置情報が得られる。なお、露光時間内の微小体の移動距離は光渦光量に依存する。
　また、或る時刻ｔ１のフレームおよび次の時刻ｔ２のフレームそれぞれの画像における微小体の重心位置に基づいて微小体の速度ベクトルを求めることができ、さらに、周方向の微小体の速度ベクトル分布を求めることができる。ただし、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の差が大きすぎると、微小体の回転の向き（右回り／左回りの何れであるか）を区別することが困難となる。
　したがって、微小体の回転の向きを区別できるようにする為には、微小体の回転運動の平均角速度と各フレームの露光時間との積が１８０°より小さいことが好ましい。
　制御ステップにおいて、制御部７０は、これらの解析結果のうちの何れか一つまたは複数の解析結果を用いる。一つの解析結果を用いる場合には、その解析結果に基づく評価値が最小となるように、光渦生成部２０による光渦生成を調整する。また、複数の解析結果を用いる場合には、例えば、各解析結果に基づく評価値の線形和を評価関数として、この評価関数の値が最小となるように、光渦生成部２０による光渦生成を調整する。
　例えば、真円の軌道上を一定速さで微小体を運動させたい場合、微小体の運動軌道が真円からどれだけ乖離しているかを表す楕円率評価値Ａを、楕円率に基づいて求め、微小体の運動の速さの変動の程度を表す分散評価値Ｂを、微小体の位置分布またはトルク分布の分散値に基づいて求める。また、係数α，βを用いてαＡ＋βＢなる式で表される評価関数を求める。そして、この評価関数の値が最小となるように、光渦生成部２０による光渦生成を調整する。
　制御ステップにおいて、制御部７０は、解析結果に基づいて光渦生成部２０による光渦生成調整の為の調整パターンを求める際に、ゼルニケ（Zernike）多項式を用いて調整パターンを表すのが好適であり、また、最適化法を用いて調整パターンを求めるのが好適である。
　ゼルニケ多項式は、単位円上で定義された直交多項式であり、二つの指数（非負整数ｎ，整数ｍ）および二つの変数（動径ρ、偏角φ）により表される。ゼルニケ多項式は、特に光学の分野において軸対称な光学収差を回折理論に基づいて解析的に取り扱う際に用いられる。また、ゼルニケ多項式は、収差補正パターンを表す際にも用いられ得る。
　最適化法として、例えば、焼き鈍し法、遺伝的アルゴリズムまたはブラインドサーチ等を用いることができる。収差補正量を複数の収差成分の線形和で表す場合、最適化法を用いて各収差成分の係数を求めることができる。
　制御ステップにおいて、制御部７０は、微小体の運動の解析結果に基づいて求めた光渦生成調整の為の調整パターンを、調整前の光渦生成の為の変調パターンに重畳して、その重畳後の変調パターンを光渦生成部２０に提示させる。これにより、制御部７０は、光渦生成部２０による光渦生成を調整して微小体の運動を制御することができる。調整パターンは、振幅分布および位相分布の双方を含むものであってもよいが、位相分布のみを含むものとすることができる。
　次に実施例について説明する。実施例では、図１に示された光渦制御装置１の構成において、対物レンズ３０として用いた５個の対物レンズＡ～Ｅそれぞれについて、光渦生成調整の前および後において微小体の運動軌跡およびトルク分布を求めた。
　５個の対物レンズＡ～Ｅのうち、４個の対物レンズＢ～Ｅを用いて光渦制御装置１の光学系を構築したのは同一の者であったが、他の対物レンズＡを用いて光渦制御装置１の光学系を構築したのは他の者であった。また、５個の対物レンズＡ～Ｅのうち、４個の対物レンズＡ～Ｄは同一スペックのものであったが、他の対物レンズＥは異なるスペックのものであった。
　４個の対物レンズＡ～Ｄは、色収差および像面湾曲収差を補正したプラン・セミアポクロマート対物レンズであって、紫外域から近赤外域までの広帯域で高い透過率を有する。プラン・セミアポクロマート対物レンズは、アクロマート対物レンズと比べて高スペックのものであり、光渦生成に用いるのに適している。対物レンズＥは、可視域の色収差を補正したアクロマート対物レンズであり、最も一般的なものである。アクロマート対物レンズは、視野中心にピントを合わせると周辺がぼけてしまうので、撮影には適さないとされている。
　光渦生成部２０として空間光変調器を用い、表示させるホログラムはKirk-Jonesの手法で設計した。設計パラメータは、偏角指数２、動径指数０、ビームサイズ半径２.００mmとした。対物レンズの瞳面上に生成される光渦の半径は、瞳面の半径に対して２０％以上であることが好ましい。
　また、本実施例におけるサンプル９０では、微小体９１として直径０.４０μｍのポリスチレンビーズを用い、媒質９２として純水を用いた。環状のスペーサを２枚のガラス板で挟み、これらにより形成した空間内に微小体および媒質を容れた。そして、媒質（純水）中に浮遊する微小体（ポリスチレンビーズ）を、対物レンズで集光した光渦により光トラップした。
　真円の軌道上を一定速さで微小体を運動させることを目標として、楕円率評価値Ａおよび分散評価値Ｂの線形和で表される評価関数の値が最小となるように、光渦生成部２０による光渦生成を調整した。光渦生成調整の前および後それぞれにおいて、画像データの各フレームにおける微小体の重心位置をｘｙ面上に点でプロットし、微小体の運動軌跡を楕円で近似して、その楕円の短径と長径との比である楕円率を求めた。この楕円率に基づいて楕円率評価値Ａを求めた。
　また、光渦生成調整の前および後それぞれにおいて、伝搬軸の周りの周方向を一定角度５°度毎に７２個の区間に区分して、画像データに基づいて各区間において微小体のトルクを求めることで、伝搬軸の周りの周方向における微小体のトルク分布を求めた。このトルク分布の分散値に基づいて分散評価値Ｂを求めた。
　図５（ａ）は、対物レンズＡを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図である。図５（ｂ）は、対物レンズＡを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。図６は、対物レンズＡを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。
　図７（ａ）は、対物レンズＢを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図である。図７（ｂ）は、対物レンズＢを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。図８は、対物レンズＢを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。
　図９（ａ）は、対物レンズＣを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図である。図９（ｂ）は、対物レンズＣを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。図１０は、対物レンズＣを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。
　図１１（ａ）は、対物レンズＤを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図である。図１１（ｂ）は、対物レンズＤを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。図１２は、対物レンズＤを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。
　図１３（ａ）は、対物レンズＥを用いた場合の光渦生成調整前の微小体の運動軌跡を示す図である。図１３（ｂ）は、対物レンズＥを用いた場合の光渦生成調整後の微小体の運動軌跡を示す図である。図１４は、対物レンズＥを用いた場合の光渦生成調整の前および後それぞれの微小体のトルク分布を示すグラフである。
　図５（ａ），図５（ｂ），図７（ａ），図７（ｂ），図９（ａ），図９（ｂ），図１１（ａ），図１１（ｂ），図１３（ａ）および図１３（ｂ）それぞれは、画像データの各フレームにおける微小体の重心位置をｘｙ面上に点でプロットしたものであり、その点の存在密度の大小が濃淡で示されている。図６，図８，図１０，図１２および図１４それぞれは、横軸を伝搬軸の周りの周方向の角度位置とし、縦軸をトルクとするグラフである。
　図１５は、光渦生成調整の為の調整パターンの一例を示す図である。この調整パターンは、ゼルニケ多項式で表された位相分布である。
　図１６は、対物レンズＡ～Ｅそれぞれを用いた場合の光渦生成調整の前後の楕円率およびトルク分布の分散値を纏めた表である。実施例の結果に示されるとおり、光渦生成調整前と比べて光渦生成調整後では、楕円率を１に近づけることができ、微小体の運動軌跡を真円に近づけることができた。また、光渦生成調整前と比べて光渦生成調整後では、伝搬軸の周りの周方向における微小体のトルク分布の分散値を小さくすることができ、微小体の運動の速さを一定値に近づけることができた。
　本実施形態によれば、光学系を構成する光学部品の性能や光学系構築時の調整精度によらず、光トラップした微小体の運動を所望のものに近づけることができる光渦を容易に生成し調整することができる。
　非特許文献１～６に記載された技術では、光渦の強度情報を取得するために高精度な光学装置や複雑な後処理が必要であることから光渦生成の調整が容易でない。これに対し、本実施形態では、光渦の強度情報を取得する必要がないので光渦生成の調整が容易である。
　非特許文献６に記載された技術では、空間光変調器に提示する変調パターンの調整を振幅分布調整および位相分布調整の２段階で行うことから光渦生成の調整が容易でない。これに対し、本実施形態では、位相分布調整のみでよいので光渦生成の調整が容易である。また、本実施形態では、位相分布調整のみでよいので、光のロスを抑制することができる点でも好ましい。
　光渦制御装置および光渦制御方法は、上述した実施形態及び構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
　上記実施形態による第１態様の光渦制御装置は、光を出力する光源と、この光から光渦を生成する光渦生成部と、光渦を集光する集光光学系と、集光光学系により集光された光渦により光トラップされて運動する微小体を撮像して画像データを出力する撮像部と、画像データに基づいて微小体の運動を解析して、当該解析結果に基づいて光渦生成部により生成される光渦の位相分布を調整する制御部と、を備える。
　第２態様の光渦制御装置では、第１態様の構成において、光渦生成部は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において少なくとも光の位相を変調して出力する空間光変調器を含む構成としてもよい。
　第３態様の光渦制御装置では、第２態様の構成において、制御部は、光渦生成の為の変調パターンに光渦生成調整の為の調整パターンを重畳して、その重畳後の変調パターンを空間光変調器に提示させる構成としてもよい。
　第４態様の光渦制御装置では、第３態様の構成において、制御部は、調整パターンを位相分布として求める構成としてもよい。
　第５態様の光渦制御装置では、第３または第４態様の構成において、制御部は、ゼルニケ多項式を用いて調整パターンを求める構成としてもよい。
　第６態様の光渦制御装置では、第３～第５態様の何れかの構成において、制御部は、最適化法を用いて調整パターンを求める構成としてもよい。
　第７態様の光渦制御装置では、第１～第６態様の何れかの構成において、制御部は、微小体の運動として、微小体の運動軌跡、位置分布およびトルク分布のうちの何れかを解析する構成としてもよい。
　第８態様の光渦制御装置では、第１～第６態様の何れかの構成において、制御部は、微小体の運動として、微小体の速度分布および角速度のうちの何れかを解析する構成としてもよい。
　第９態様の光渦制御装置では、第１～第６態様の何れかの構成において、制御部は、微小体の運動として、微小体の運動軌跡、位置分布、速度分布、角速度およびトルク分布のうちの何れかを変数とする関数に基づいて解析する構成としてもよい。
　上記実施形態による第１態様の光渦制御方法は、光を出力する光源と、この光から光渦を生成する光渦生成部と、光渦を集光する集光光学系とを用い、集光光学系により集光された光渦により光トラップされて運動する微小体を撮像部により撮像して画像データを出力する撮像ステップと、画像データに基づいて微小体の運動を解析して、当該解析結果に基づいて光渦生成部により生成される光渦の位相分布を調整する制御ステップと、を備える。
　第２態様の光渦制御方法では、第１態様の構成において、光渦生成部は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において少なくとも光の位相を変調して出力する空間光変調器を含む構成としてもよい。
　第３態様の光渦制御方法では、第２態様の構成において、制御ステップにおいて、光渦生成の為の変調パターンに光渦生成調整の為の調整パターンを重畳して、その重畳後の変調パターンを空間光変調器に提示させる構成としてもよい。
　第４態様の光渦制御方法では、第３態様の構成において、制御ステップにおいて、調整パターンを位相分布として求める構成としてもよい。
　第５態様の光渦制御方法では、第３または第４態様の構成において、制御ステップにおいて、ゼルニケ多項式を用いて調整パターンを求める構成としてもよい。
　第６態様の光渦制御方法では、第３～第５態様の何れかの構成において、制御ステップにおいて、最適化法を用いて調整パターンを求める構成としてもよい。
　第７態様の光渦制御方法では、第１～第６態様の何れかの構成において、制御ステップにおいて、微小体の運動として、微小体の運動軌跡、位置分布およびトルク分布のうちの何れかを解析する構成としてもよい。
　第８態様の光渦制御方法では、第１～第６態様の何れかの構成において、制御ステップにおいて、微小体の運動として、微小体の速度分布および角速度のうちの何れかを解析する構成としてもよい。
　第９態様の光渦制御方法では、第１～第６態様の何れかの構成において、制御ステップにおいて、微小体の運動として、微小体の運動軌跡、位置分布、速度分布、角速度およびトルク分布のうちの何れかを変数とする関数に基づいて解析する構成としてもよい。
　実施形態は、所望の光渦を容易に生成することができる光渦制御装置および光渦制御方法として利用可能である。
　１…光渦制御装置、１０…光源、２０…光渦生成部、３０～３３…レンズ、３４…アパーチャ、４０…ダイクロイックミラー、５０…照明部、６０…撮像部、７０…制御部、９０…サンプル、９１…微小体、９２…媒質。

Claims (18)

  1. 　光を出力する光源と、
    　前記光から光渦を生成する光渦生成部と、
    　前記光渦を集光する集光光学系と、
    　前記集光光学系により集光された光渦により光トラップされて運動する微小体を撮像して画像データを出力する撮像部と、
    　前記画像データに基づいて前記微小体の運動を解析して、当該解析結果に基づいて前記光渦生成部により生成される光渦の位相分布を調整する制御部と、
    を備える、光渦制御装置。
  2. 　前記光渦生成部は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において少なくとも光の位相を変調して出力する空間光変調器を含む、請求項１に記載の光渦制御装置。
  3. 　前記制御部は、光渦生成の為の変調パターンに光渦生成調整の為の調整パターンを重畳して、その重畳後の変調パターンを前記空間光変調器に提示させる、請求項２に記載の光渦制御装置。
  4. 　前記制御部は、前記調整パターンを位相分布として求める、請求項３に記載の光渦制御装置。
  5. 　前記制御部は、ゼルニケ多項式を用いて前記調整パターンを求める、請求項３または４に記載の光渦制御装置。
  6. 　前記制御部は、最適化法を用いて前記調整パターンを求める、請求項３～５の何れか１項に記載の光渦制御装置。
  7. 　前記制御部は、前記微小体の運動として、前記微小体の運動軌跡、位置分布およびトルク分布のうちの何れかを解析する、請求項１～６の何れか１項に記載の光渦制御装置。
  8. 　前記制御部は、前記微小体の運動として、前記微小体の速度分布および角速度のうちの何れかを解析する、請求項１～６の何れか１項に記載の光渦制御装置。
  9. 　前記制御部は、前記微小体の運動として、前記微小体の運動軌跡、位置分布、速度分布、角速度およびトルク分布のうちの何れかを変数とする関数に基づいて解析する、請求項１～６の何れか１項に記載の光渦制御装置。
  10. 　光を出力する光源と、前記光から光渦を生成する光渦生成部と、前記光渦を集光する集光光学系とを用い、
    　前記集光光学系により集光された光渦により光トラップされて運動する微小体を撮像部により撮像して画像データを出力する撮像ステップと、
    　前記画像データに基づいて前記微小体の運動を解析して、当該解析結果に基づいて前記光渦生成部により生成される光渦の位相分布を調整する制御ステップと、
    を備える、光渦制御方法。
  11. 　前記光渦生成部は、２次元配列された複数の画素を有し各画素において少なくとも光の位相を変調して出力する空間光変調器を含む、請求項１０に記載の光渦制御方法。
  12. 　前記制御ステップにおいて、光渦生成の為の変調パターンに光渦生成調整の為の調整パターンを重畳して、その重畳後の変調パターンを前記空間光変調器に提示させる、請求項１１に記載の光渦制御方法。
  13. 　前記制御ステップにおいて、前記調整パターンを位相分布として求める、請求項１２に記載の光渦制御方法。
  14. 　前記制御ステップにおいて、ゼルニケ多項式を用いて前記調整パターンを求める、請求項１２または１３に記載の光渦制御方法。
  15. 　前記制御ステップにおいて、最適化法を用いて前記調整パターンを求める、請求項１２～１４の何れか１項に記載の光渦制御方法。
  16. 　前記制御ステップにおいて、前記微小体の運動として、前記微小体の運動軌跡、位置分布およびトルク分布のうちの何れかを解析する、請求項１０～１５の何れか１項に記載の光渦制御方法。
  17. 　前記制御ステップにおいて、前記微小体の運動として、前記微小体の速度分布および角速度のうちの何れかを解析する、請求項１０～１５の何れか１項に記載の光渦制御方法。
  18. 　前記制御ステップにおいて、前記微小体の運動として、前記微小体の運動軌跡、位置分布、速度分布、角速度およびトルク分布のうちの何れかを変数とする関数に基づいて解析する、請求項１０～１５の何れか１項に記載の光渦制御方法。
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