JP2006235319A

JP2006235319A - 微粒子移動制御装置

Info

Publication number: JP2006235319A
Application number: JP2005050912A
Authority: JP
Inventors: Marenori Kawamura; 希典河村; Susumu Sato; 佐藤　　進
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-02-25
Filing date: 2005-02-25
Publication date: 2006-09-07

Abstract

【課題】レーザ光の集光位置を、簡単な構成の制御手段で実現することができ、軽量・小型化が可能であり、かつ経済的にも有利な微粒子移動制御装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源７１１からのビームを対物レンズ７２１により集光し、焦点位置の対象物を捕捉せしめる装置において、前記レーザ光源７１１と前記対物レンズ７２１の間に、外部電圧印加により液晶分子の配向制御を行い液晶の実効的な屈折率の分布特性を可変できる液晶光学素子７２０によるレンズを配置し、入射するレーザ光の焦点位置を可変して前記対象物の位置を制御できるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子移動制御装置に関するものであり、特に周辺構成部品を削減し、小型軽量化に有効な装置である。

微粒子、細胞などの微細な観察対象物を、非接触で移動させるためのマニピュレータ（光ピンセットとも称される）がある。このマニピュレータでは、レーザ光の焦点を観察対象物に照射し、光圧により観察対象物を捕らえて移動させる、いわゆる捕捉することができる。

この種のマニピュレータでは、観察対象物を任意の位置へ移動させるためには、レーザ光の焦点を移動制御する必要がある。レーザ光の焦点を移動制御するための手段として、従来は機械的な手段により実現している。例えば特許文献１（特開２００３−１７５４９７号公報）では、レーザ光源と集光レンズとの間の光軸上に光軸上を移動可能な付加レンズ系を配置している。そして、付加レンズ系を光軸上で移動させ、球面収差を制御し、焦点位置を調整している。また光ファイバを介してレーザ光を観察対象物に照射して捕捉し、観察対象物の移動は、光ファイバ先端を機械的に微調整するものもある（例えば特開平０９−０４３４３４号公報）。

上記した、従来の微粒子移動制御装置は、レーザ光の焦点位置を移動させて微粒子の位置を制御するために、光学部品（レンズやミラー等）を用いて機械的に制御する方法である。

このために、周辺構成部品が大掛かりとなり、小型、軽量化に不向きである。また機械的な制御装置も高精度のものが要求されるために、価格も高価である。

そこでこの発明の目的は、レーザ光の焦点位置を、簡単な構成の制御手段で実現することができ、軽量・小型化が可能であり、かつ経済的にも有利な微粒子移動制御装置を提供することにある。

この発明は、上記の問題を解決するために、レーザ光源からビームを対物レンズにより集光し、焦点付近の対象物を捕捉せしめる装置において、前記対物レンズとして、外部電圧印加により液晶分子の配向制御を行い液晶の実効的な屈折率の分布特性を可変できる液晶光学素子によるレンズを配置し、入射するレーザ光の焦点位置を可変して前記対象物の位置を制御できるようにしたことを基本とする。

上記の手段により、レーザ光の位置制御のために、機械的な駆動機構が不要となり、軽量・小型の微粒子移動制御装置を提供できる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を詳細に説明する。図１にはこの発明に係る微粒子移動制御装置の構成例を示している。ベース７０１の端部には、スタンド７０２が起立して取り付けられている。ベース７０１の上部には、間隔をおいて、支持体７０３が配置され、スタンド７０２に取り付けられている。この支持台７０２の上面には、後述する液晶光学素子７２０が配置される。

支持体７０３の上側には、アーム７０４が位置し、スタンド７０２に取り付けられている。そしてこのスタンド７０２の先端には、対物レンズ７２１が取り付けられている。アーム７０４の上側には、サンプル台７０５が位置し、スタンド７０２に取り付けられている。このサンプル台７０５の上面には、サンプルホルダ７２２が配置される。

スタンド７０２には、さらに対物レンズ７２３を有する鏡筒７０７が取り付けられている。鏡筒７０７の光軸上には、フィルタ７０８を介して、撮像カメラ（例えばＣＣＤカメラ）７０９が取付けられている。

撮像カメラ７０９の出力は、パーソナルコンピュータなどのモニタ８０１に供給される。

７１１はレーザ光源であり、ここからのレーザ光は、反射ミラー７１２、７１３で反射され、コリメータレンズ７１４、７１５を介して、立上げミラー７１６に導かれる。立上げミラー７１６からのレーザ光は、液晶光学素子７２０においてその光学特性に制御を受けて、対物レンズ７２１を介してサンプルホルダ７２２の観察対象物（微粒子）に焦点を合わせ、この微粒子を捕捉することができる。

微粒子の３次元の移動位置制御は、コントロール部８１０を操作し、先の液晶光学素子７２０の特性を制御することで、可能である。このコントロール部８１０については後で詳しく説明する。

サンプルホルダ７２２内の微粒子が移動する様子は、対物レンズ７２３、フィルタ７０８を介して撮像カメラ７０９により撮影され、その画像が、モニタ８０１で写しだされる。フィルタ７０８は、レーザ光の色をカットし、微粒子の像を正確に撮像するために設けられている。

（液晶光学素子７２０の基本構成と基本動作の説明）
液晶光学素子７２０に関して詳しく説明する。図２において、１１１は、第１の基板（透明ガラス）であり、内面側に、第１の電極２１（材料としてはＩＴＯ材）が形成されている。この第１の電極２１側に、平行に対向して、第２の基板（透明ガラス）１１２が配置されている。第２の基板１１２の外部には第２の電極２２（材料としてはＡｌ）が形成されている。この第２の電極２２は、図２（Ｂ）に示すように、丸穴２２２（例えば直径４．５ｍｍ）を有する。

第１の基板１１１の第１の電極２１側と、第２の基板１１２との間には、液晶分子を一方向に配向させた液晶層３１１（例えば厚さ１３０μｍ）が形成されている。４１，４２は、液晶層３１１を得るためのスペーサである。

さらに、前記第２の電極２２の上部面には、絶縁層１１３（例えば７０μｍの薄いガラス）を介して、第３の電極２３（材料としてはＩＴＯ材）が形成されている。この第３の電極２３の上面には保護層（ガラス）１１４が配置されている。液晶層を挟む第１と第２の基板の面には、ポリイミドがコーティングされている。またｘ軸方向にラビング処理されている。

ここで、上記の光学素子を液晶レンズとして機能させる場合、第１の電極２１と第２の電極２２との間に第１の電圧Ｖｏを加える。この電圧Ｖｏは、電圧供給部５２から供給される。ここで、最良の光学的特性（この時の特性を、第１段階の光学的特性と称することにする）が得られる電圧値が設定される。次に、第１の電圧Ｖｏとは、独立して、第１の電極２１と第３の電極２３に第２の電圧Ｖｃが加えられる。この第２の電圧Ｖｃは、電圧供給部５２から供給される。この第２の電圧Ｖｃを可変することにより、レンズの光学的特性（第２段階の光学的特性と称する）を制御することができる。第２段階の光学的特性は、非常に焦点距離が近い状態から無限に近い（あるいは無限）の状態まで可変される。これは、第２の電圧Ｖｃが第２の電極２２において、一様に変化された場合である。

ここで、上記の液晶光学素素子７２０は、焦点位置を偏向させることができる。このために、第２の電極２２は、複数に分割されている。たとえば、第２の電極２２は、図２（Ｂ）に示すように４分割される。そして、それぞれの電極２２ａ−２２ｄに与える電圧は、コントロール部８１０により、微小に可変制御することができる。

図３には、第１の電極２１と第２の電極２２間にＶｏ＝７０Ｖの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加えており、第３の電極２３に第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝１０Ｖを与えたときの電位分布を示している。ｚは、光軸方向であり、ｙは、光軸と直交する方向である。ｘ、ｙ、ｚは、図２と共通である。電位分布を示す複数の等電位線の密度が高い場合は、レンズの焦点距離が長く、等電位線の密度が低い場合は、レンズの焦点距離が短くなる。

図４（Ａ）と図４（Ｂ）には、さらに別の電位分布の例を示している。図４（Ａ）では、第１の電極２１と第２の電極２２間にＶｏ＝７０Ｖの電圧（最良の特性を示す固定の電圧値）を加え、且つ、第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝１０Ｖを与えたときの電位分布を示している。図４（Ｂ）では、制御電圧を可変し、第２の電圧（制御電圧）Ｖｃ＝２０Ｖを与えたときの電位分布を示している。この電位分布の変化は液晶分子の傾斜角に対応し、かつ光の屈折角にも対応している。図４（Ｂ）の状態のときが、図４（Ａ）の状態のときより焦点距離が長い。

図５には、上記の実施形態において、液晶レンズにおける光の位相遅れφの様子を示している。基本的には、ｙ軸の中心から周囲に向って次第に位相遅れが小さくなる2乗分布特性を示している。ここで、制御電圧（第２の電圧）Ｖｃを可変していくと中心と周囲の位相差が小さくなっている。つまり、Ｖｃ＝１０Ｖのときよりも、Ｖｃ＝５０Ｖのほうが焦点距離は長くなっている。

図６には、この発明の光学素子の焦点距離の変化と先の制御電圧Ｖｃとの関係を示している。制御電圧Ｖｃを可変することで、焦点距離が可変される。本発明の一実施形態は、上記の構成に限定されるものではない。

図７（Ａ）は、上記コントロール部５５の具体的構成例であり、図７（Ｂ）は、コントロール部８１０により焦点距離が制御された場合の各種の焦点距離の移動位置を示す説明図である。

電極２２ａに与える電圧は、可変抵抗５５ａの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。同様に電極２２ｂに与える電圧は、可変抵抗５５ｂの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。電極２２ｃに与える電圧は、可変抵抗５５ｃの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。そして電極２２ｄに与える電圧は、可変抵抗５５ｄの摺動子から取り出されており、電圧＋Ｖと、電圧−Ｖの間の分割電圧が取り出されている。

各電極に与える電圧を微小に可変することにより、焦点位置は、図７（Ｂ）に示すように、ｘ軸方向又はｙ軸方向へ、さらには両方向へ移動させることができる。また、ｚ軸方向へも移動させることができる。つまり三次元の範囲内で焦点位置を移動制御することが可能である。

（液晶光学素子７２０と対物レンズ７２１の複合レンズの複合特性）
図８（Ａ）は、液晶光学素子７２０に第２の電圧Ｖｃを与えたときの焦点距離ｆの変化の測定結果を示している。図８（Ｂ）は、光学素子７２０の焦点距離ｆ_ＬＣと、複合レンズの焦点距離ｆとの関係を示している。また図８（Ｃ）は、光学素子７２０の焦点距離ｆ_ＬＣと、複合レンズの焦点のスポットサイズとの関係を示している。

さらに図９では、第２の電圧Ｖｃを制御した際の捕捉した微粒子の光軸（ｚ）方向への移動量を示している。

図１０には、微粒子（例えばポリスチレンの微粒子）を捕捉し、コントロール部８１０を調整し、シフトさせた場合の電圧とシフト量との関係を示している。図１１（Ａ）−（Ｄ）には、モニタ８０１の画面８１１上で、微粒子８１２が移動制御される様子を示している。図１１（Ａ）は、例えば分割電極Ａ−Ｃ間での電位差を制御電位として１５Ｖ，３５Ｖ，５５Ｖ，７２Ｖと変化させたときに微粒子８１２が移動した様子を示している。

上記したようにこの発明によると、微粒子をレーザ光の焦点位置で捕捉し、これを２次元のみならず３次元で移動制御することが可能である。この発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、電極２２をさらに多くの電極に分割し、それぞれの与える制御電圧を制御することにより、微粒子の移動制御をさらに緻密なものとすることが可能である。

図１２には、さらにこの発明の他の実施の形態を示す。この例は、液晶光学素子と対物レンズのペア（複合レンズ）を複数用いる例である。即ち、この装置は、面発光レーザアレイであるが、その配置を工夫することにより、サンプルホルダのサンプルの移動エリアとして広範囲８５０を得ることができる。中心８５１を持つ円８５１上に、複合レンズＬ_０、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、…、Ｌ’_０、Ｌ’_１、Ｌ’_２、Ｌ’_３、…を配置する。このとき複合レンズＬ_０、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、…、Ｌ’_０、Ｌ’_１、Ｌ’_２、Ｌ’_３、…の光軸が中心８５１を通るように配置する。そして、中心８５１と複合レンズＬ_０、Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、…、Ｌ’_０、Ｌ’_１、Ｌ’_２、Ｌ’_３、…との間にサンプル捕捉エリア８５０を配置するのである。このように構成した場合、ある複合レンズのビームで途中まで微粒子を捕捉し、この微粒子を隣の複合レンズのビームが引き受けて捕捉するというように、次々と微粒子を捕捉して遠くまで移動制御することが可能となる。さらに別の用い方として、複数の微粒子をそれぞれの複合レンズのビームで捕捉し、それぞれの微粒子を独立して移動制御する用い方が可能である。

又この発明は、液晶光学素子の光学特性は、上記の特性に限定されるものではない。上記の特性では、光軸方向での焦点距離及び光軸と交差する方向への偏向特性を有し、前記焦点付近の捕捉した対象物を３次元で移動性制御できるようにした。

しかし、液晶光学素子が、レーザ光の偏光状態を可変できる特性にしてもよく、捕捉した光学的異方性を有する対象物の３次元位置制御のみならず、異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしてもよい。偏光状態の制御は、ラビング処理の調整により、あるいは、複数の液晶層を設けることで容易に可能である。

また、同様な処理により、液晶光学素子が、楕円形状の屈折率分布特性をすなわちアナモルフィックレンズ特性を有し、捕捉した幾何学的または光学的異方性を有する対象物の３次元位置制御のみならず、異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしてもよい。

液晶光学素子及び対応する前記対物レンズのペアを、２次元アレイで複数配置して、各液晶光学素子に電圧を印加して捕捉した複数の対象物を独立して３次元位置制御するのみならず異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしてもよい。

さらには、液晶光学素子及び対応する前記対物レンズを２次元面発光レーザアレイと一体化する構造とし、捕捉した複数の複数の対象物を３次元位置制御するのみならず異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしてもよい。

またこの液晶光学素子及び対応する対物レンズを、２次元アレイ状に複数配置し、各液晶光学素子に電圧を印加して、サンプル捕捉エリア領域でレーザ光を干渉させるようにしてもよい。この干渉を行わせることにより、捕捉した複数の対象物を同時に３次元制御のみならず回転動作の制御を得ることができる。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。第３の電極の形状が、正弦波関数または正弦波関数の重畳関数、又はべき乗の関数のいずれかで与えられていてもよい。また、液晶レンズを１つ示したが、複数が配列される構成であってもよい。また複眼のような２次元的な配列であってもよい。

本発明の光学素子は、拡大レンズ、ロボットにおいて視覚機能として用いられる撮像部のレンズなど種々の用途が可能である。

この発明に係る微粒子移動制御装置の構成を示す構成説明図である。図１の装置に用いられた液晶光学素子の一実施の形態を示す構成説明図である。図２に示した液晶光学素子の機能を説明するために素子の電位分布の例を示す説明図である。図２に示した液晶光学素子の機能を説明するために素子の電位分布が変化した例を示す説明図である。図２に示した液晶光学素子の機能を説明するために、光学素子を通過する光波の位相が変化する様子を示す説明図である。図２に示した液晶光学素子の機能を説明するために、制御電圧に対する焦点距離が変化する様子を示す説明図である。図１に示したコントロール部の具体的構成例と、液晶レンズの焦点位置の遷移を説明するために示した説明図である。液晶光学素子に第２の電圧Ｖｃを与えたときの焦点距離ｆの変化の測定結果、液晶光学素子の焦点距離ｆ_ＬＣと、複合レンズの焦点距離ｆとの関係、及び液晶光学素子の焦点距離ｆ_ＬＣと複合レンズの焦点のスポットサイズとの関係を示す説明図である。複合レンズの焦点を光軸（ｚ）方向へ移動制御した際の移動距離と第２の電圧Ｖｃとの関係を示す説明図である。微粒子を捕捉しシフトさせた場合の電圧とシフト量との関係を示す説明図である。モニタの画面で、微粒子移動制御される様子を示す説明図である。この発明の装置に係る液晶光学素子の他の例を示す説明図である。

符号の説明

２１…第１の電極、２２…第２の電極、２２２…穴、２３…第３の電極、５１，５２，６１，６２…電圧供給部、５５…コントロール部、１１１…第１の基板、１１２…第２の基板、１１３…絶縁層、１１４…保護層、７１１…レーザ光源、７２０…液晶光学素子、７２１…対物レンズ、７２２…サンプルホルダ、７２３…対物レンズ、７０８…フィルタ、７０９…撮像カメラ、８０１…モニタ、８１０…コントロール部。

Claims

レーザ光源からのビームを対物レンズにより集光し、焦点付近の対象物を捕捉せしめる装置において、前記レーザ光源と前記対物レンズの間に、外部電圧印加により液晶分子の配向制御を行い液晶の実効的な屈折率の分布特性を可変できる液晶光学素子によるレンズを配置し、入射するレーザ光の焦点位置を可変して前記対象物の位置を制御することを特徴とする微粒子移動制御装置。
前記液晶光学素子が、凸レンズ特性を有し、且つ光軸方向での焦点距離及び光軸と交差する方向への偏向特性を有し、前記焦点付近の捕捉した対象物を３次元で移動性制御することを特徴とする請求項１記載の微粒子移動制御装置。
前記液晶光学素子が、前記入射するレーザ光の偏光状態を可変できる特性を有し、捕捉した光学的異方性を有する対象物の３次元位置制御のみならず、
異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしたことを特徴とする請求項１または２記載の微粒子移動制御装置。
前記液晶光学素子が、楕円形状の屈折率分布特性をすなわちアナモルフィックレンズ特性を有し、捕捉した幾何学的または光学的異方性を有する対象物の３次元位置制御のみならず、
異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしたことを特徴とする請求項１または２または３記載の微粒子移動制御装置。
前記液晶光学素子及び対応する前記対物レンズのペアを、２次元アレイで複数配置して、各液晶光学素子に電圧を印加して捕捉した複数の対象物を独立して３次元位置制御するのみならず異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしたことを特徴とする請求項１または２または３記載の微粒子移動制御装置。
前記液晶光学素子及び対応する前記対物レンズを２次元面発光レーザアレイと一体化する構造とし、捕捉した複数の複数の対象物を３次元位置制御するのみならず異方性の方向または回転動作の制御を得られるようにしたことを特徴とする請求項１または２または３記載の微粒子移動制御装置。
前記液晶光学素子及び対応する対物レンズを、２次元アレイ状に複数配置し、各液晶光学素子に電圧を印加して、サンプル捕捉エリア領域でレーザ光を干渉させることにより、捕捉した複数の対象物を同時に３次元制御のみならず回転動作の制御を得られるようにしたことを特徴とする請求項１または２または３記載の微粒子移動制御装置。