JP4786291B2 - 光ピンセット装置 - Google Patents

Description

この発明は、光の圧力を利用して物体を捕捉する光ピンセット装置に関する。

下記の特許文献１には、複数の捕捉位置に光を集束させ、光の圧力によってそれらの捕捉位置に物体を捕捉する光ピンセット装置が開示されている。この光ピンセット装置は、空間光変調器の変調面を、捕捉位置のそれぞれに対応する複数の領域に分割し、領域ごとに独立して位相パターンを形成することにより捕捉位置を制御する。これにより、これらの捕捉位置に捕捉された複数の物体を個別に移動させることができる。捕捉した一つの物体を移動させるときは、その物体に対応する領域の位相パターンのみを更新すればよいので、物体を迅速に操作することができる。

また、下記の非特許文献１には、光ピンセット装置を用いて複数の物体を同時に３次元的に移動させる方法が記載されている。ただし、同文献には、変調面の各領域に独立して位相パターンを形成することは開示されていない。
特開２００４−１３８９０６号公報 ジョナサン・リーチ（JonathanLeach）、他４名、「ホログラフィ光ピンセット装置を用いた粒子の３次元操作による結晶構造の形成（3D manipulation of particles into crystal structures usingholographic optical tweezers）」、オプティクス・エクスプレス（OPTICS EXPRESS）、(米国)、アメリカ光学学会（Optical Society of America）、２００４年１月１２日、第１２巻、第１号、２２０〜２２６頁

光圧によって物体を捕捉位置に捕捉するためには、捕捉位置に集束させる光の光量だけでなく、開口数（Numerical Aperture：ＮＡ）が十分に大きくなくてはならない。しかし、特許文献１の装置では、変調面の分割により、比較的狭い面積から発した光を捕捉位置に集束させることになり、開口数が小さくなりがちである。

そこで、本発明は、捕捉位置に集束する光の開口数を増大させることにより高い捕捉力を発揮する光ピンセット装置を提供することを課題とする。

本発明は、複数の捕捉位置に光を集束させ、その光の圧力によって複数の捕捉位置の各々に物体を捕捉することが可能な光ピンセット装置に関する。この光ピンセット装置は、読出し光を発する発光手段と、複数の捕捉位置の各々に対して一つ以上の部分位相パターンを用意し、これらの部分位相パターンを２次元的に配列して出力位相パターンを作成する位相パターン生成手段と、出力位相パターンに応じて読出し光の位相を変調する空間光変調器とを備えている。位相パターン生成手段は、複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために複数の部分位相パターンを用意し、当該複数の部分位相パターンの一つが当該複数の部分位相パターンの他の部分位相パターンの少なくとも一つと離間するように、当該複数の部分位相パターンを配列する。

読出し光が空間光変調器に入射すると、読出し光に含まれる複数の光ビームが複数の部分位相パターンによってそれぞれ変調され、対応する捕捉位置に集束する。一つの捕捉位置に光を集束させるために用意された複数の部分位相パターンのうち一の部分位相パターンが他の部分位相パターンの少なくとも一つから離間しているので、広範囲に分布した位置から発する光が一つの捕捉位置に集束することになる。これにより、当該捕捉位置に集束する光の開口数が増大するので、この光ピンセット装置は当該捕捉位置において高い捕捉力を発揮する。

位相パターン生成手段は、複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために用意された複数の部分位相パターンのうち互いに離間した二つの部分位相パターンの間に、他の捕捉位置に対して用意された部分位相パターンを配置してもよい。

複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために用意された上記の複数の部分位相パターンは、不規則に配列されていることが好ましい。例えば、これらの部分位相パターンは、１８０°／ｎ（ｎは整数）の回転対称性を有さないように配列されていてもよい。このような不規則な配列を採用すると、これらの部分位相パターンを規則的に配列したときに比べて回折ノイズ光が低減される。

本発明の光ピンセット装置は、複数の捕捉位置の一つに対して用意される一つ以上の部分位相パターンのみを更新することにより、当該複数の捕捉位置の一つのみを移動させてもよい。捕捉位置ごとに個別に部分位相パターンが用意されるので、対応する部分位相パターンだけを更新すれば、一つの捕捉位置を他の捕捉位置と独立に移動させることができる。この結果、一つの捕捉位置に捕捉された物体を他の捕捉位置に捕捉された物体と独立に移動させることができる。これにより、光ピンセット装置を用いた物体の操作の自由度が高まる。

本発明の光ピンセット装置は、複数の捕捉位置の少なくとも一つを３次元的に移動させてもよい。これにより、一つの捕捉位置に捕捉された物体を３次元的に移動させることができるので、光ピンセット装置を用いた物体の操作の自由度が高まる。捕捉位置を３次元的に移動させると、その移動に伴ってその捕捉位置に対する開口数が増減することになる。増大した開口数を有する上記の捕捉位置は、比較的長い距離の移動にわたって十分に大きな開口数を維持し、物体の捕捉を続けることができる。

位相パターン生成手段は、複数の捕捉位置の一つに対して用意される一つ以上の部分位相パターンに、レンズ効果を有する位相パターンを重ね合わせ、そのレンズ効果の強さを更新することにより、当該複数の捕捉位置の一つを３次元的に移動させてもよい。この構成によれば、捕捉位置の３次元的な移動を比較的簡易に実現することができる。

本発明によれば、捕捉位置に集束する光の開口数を増大させることにより高い捕捉力を発揮する光ピンセット装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施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。

第１実施形態
図１は、第１の実施形態に係る光ピンセット装置の構成を示す概略図である。この光ピンセット装置１０は、光パターン形成装置１１、撮像光学系４１および顕微鏡５０から構成されている。光ピンセット装置１０は、光パターン形成装置１１を用いて光パターンを形成し、その光パターンを顕微鏡５０内に配置された試料６０に照射する。撮像光学系４１は、顕微鏡５０内の光パターンおよび試料６０を撮像する。

光パターン形成装置１１は、空間光変調器１２、制御システム１４、読出し光源１６、コリメータレンズ２０、およびフーリエ変換レンズ２２を有している。コリメータレンズ２０と空間光変調器１２との間の光路上にはミラー４１が、また、空間光変調器１２とフーリエ変換レンズ２２との間の光路上にはミラー４２および４３が配置されている。光パターン形成装置１１は、所望の二次元的な光パターンを形成することができる。本実施形態では、試料６０中の粒子を複数の位置で捕捉するため、複数の点像を含む光パターンを形成する。

空間光変調器１２は、電気アドレス型の位相変調型空間光変調器の一例であり、ＰＰＭ（Programmable Phase Modulator：プログラマブル位相変調器）と呼ばれる。空間光変調器１２は、書込み光源３０、透過型のＬＣＤ（LiquidCrystal Display：液晶ディスプレイ）３２、結像レンズ３４、およびＰＡＬ−ＳＬＭ（Parallel-Aligned Nematic LiquidCrystal Spatial Light Modulator：平行配向型ネマチック液晶空間光変調器）３６を有している。

書込み光源３０は、一様な二次元強度分布を有する平面波の書込み光３８をＬＣＤ３２に照射する。書込み光源３０は、例えば、レーザ素子と、そのレーザ素子から発するコヒーレントなレーザ光をコリメートするコリメータレンズから構成される。ただし、書込み光源３０がレーザ光源に限られるわけではない。

ＬＣＤ３２は、制御システム１４から入力される電気的な画像信号に応じた画像を表示する。ＬＣＤ３２は、書込み光３８を透過させると共に、書込み光３８の強度分布を表示画像の輝度分布に応じて変調する。つまり、ＬＣＤ３２は、書込み光３８を表示画像のパターンに応じて強度変調する電気アドレス型の強度変調型空間光変調器である。

結像レンズ３４は、強度変調された書込み光３８をＰＡＬ−ＳＬＭ３６上に結像させる。つまり、書込み光源３０および結像レンズ３４は、ＬＣＤ３２上に表示された画像をＰＡＬ−ＳＬＭ３６上に投影する。

ＰＡＬ−ＳＬＭ３６は、光アドレス型の位相変調型空間光変調器である。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の構造および動作は公知なので、ここでは簡単に説明するにとどめる。なお、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の詳細な説明は、例えば国際公開第０３／０３６３６８号パンフレットに開示されている。

ＰＡＬ−ＳＬＭ３６は、その後部に照射された書込み光３８によって光アドレスされ、その前部に照射された読出し光２６の位相を空間的に変調して、書込み光３８の強度分布に応じた二次元位相分布を読出し光２６に与える。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６の後部には光導電層が設けられ、前部には液晶層が設けられている。液晶層および光導電層は一対の透明電極によって挟まれており、これらの透明電極を介して液晶層に電圧が印加される。強度変調された書込み光３８が光導電層に照射されると、液晶層には書込み光の強度分布に応じた屈折率分布が形成される。この液晶層に読出し光２６が照射されると、その屈折率分布に応じて読出し光２６の位相が変調される。こうして、書込み光３８の強度分布に応じた位相分布が読出し光２６に与えられる。ＰＡＬ−ＳＬＭ３６は、反射型の位相変調器であり、液晶層と光導電層の間にはミラー層が設けられている。位相変調された読出し光２６は、ミラー層によって反射され、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６から出射する。

制御システム１４は、形成すべき光パターンに応じた計算機ホログラム（Computer Generated Hologram：ＣＧＨ）を作成する。ＣＧＨは、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６による位相変調を制御するデータであり、読出し光２６に与える位相の二次元分布、すなわち位相パターンを表している。本実施形態では、ＣＧＨ作成ソフトウェアがインストールされたコンピュータシステムを制御システム１４として用いる。ＣＧＨは、シミュレーティッドアニーリング手法やキノホーム手法など、任意の手法により計算することができる。制御システム１４は、作成したＣＧＨを表示するためのディスプレイ装置１４ａを含んでいる。制御システム１４は、作成したＣＣＨに対応する画像信号をＬＣＤ３２に供給して、ＣＧＨの画像をＬＣＤ３２上に表示させる。このＣＧＨ画像の各画素は、各画素における位相変調量（０〜２π）から換算された輝度（０〜２５５）を有する。空間光変調器１２は、ＣＧＨ画像の輝度分布に応じて読出し光２６を位相変調する。

読出し光源１６およびコリメータレンズ２０は、空間光変調器１２に読出し光２６を照射する発光装置２８を構成している。本実施形態では、読出し光源１６はレーザ素子であり、コヒーレントで直線偏光のレーザ光を生成する。ただし、読出し光源１６がレーザ光源に限られるわけではない。読出し光源１６から発したレーザ光は、コリメータレンズ２０によってコリメートされる。こうして、平面波の読出し光２６が生成される。この読出し光２６は、ミラー４１によって反射され、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６に照射される。

なお、本実施形態では、読出し光源１６は、読出し光２６がＰＡＬ−ＳＬＭ３６内の液晶層にｐ偏光として入射するように配置されている。ただし、読出し光２６の入射角度が小さい場合には、読出し光２６が液晶層にｓ偏光として入射するように読出し光源１６を配置してもよい。

ＰＡＬ−ＳＬＭ３６内の光導電層には、結像レンズ３４によってＬＣＤ３２上のＣＧＨ画像が投影される。この投影像の二次元強度分布に応じて光導電層のインピーダンスが変化するので、液晶層に印加される電圧は、ＣＧＨ画像の強度分布に応じた分布を有することになる。液晶分子の傾斜角度は印加電圧に依存するので、結果として、ＣＧＨ画像の強度分布に応じた屈折率分布が液晶層に形成される。液晶層を透過する読出し光２６の波面には、この屈折率分布に応じた二次元位相分布が与えられる。こうして位相変調された読出し光２６は、液晶層と光導電層の間に配置されたミラー層によって反射され、ＰＡＬ−ＳＬＭ３６からミラー４２に向かって出射する。ミラー４２は、位相変調された読出し光２６をミラー４３に向けて反射し、ミラー４３は、その読出し光２６をフーリエ変換レンズ２２に向けて反射する。

フーリエ変換レンズ２２は、位相変調された読出し光２６をフーリエ変換し、読出し光２６の光学像を形成する。この光学像は、読出し光２６の位相分布に応じた強度分布を有する。こうして、制御システム１４の出力ＣＧＨに対応する光パターンが光パターン形成装置１１から出射する。この光パターンは、撮像光学系４１内のリレーレンズ４４および４５によって顕微鏡５０内に転送され、リレーレンズ５１、ミラー５２および対物レンズ５３によって試料台５４の底面に照射される。試料台５４には光パターンを透過させるための窓（図示せず）が設けられており、光パターンは、この窓を通過して試料台５４の上方で結像する。焦点合わせのために、対物レンズ５３と試料台５４との距離は対物レンズ５３の光軸に沿って調整可能になっている。

試料台５４の上面には、図示しないプレパラートを用いて試料６０が載せられる。試料６０には、試料台５４の上方に配置された落射照明装置５６から白色照明光５８が照射される。この照明によって形成された試料６０の光学像は、対物レンズ５３、ミラー５２およびリレーレンズ５１によって撮像光学系４１に伝送される。撮像光学系４１においてリレーレンズ４４および４５の間には、ビームスプリッタ４６が配置されている。試料６０の光学像は、リレーレンズ４５、ビームスプリッタ４６およびリレーレンズ４７によってＣＣＤカメラ４８まで伝送され、ＣＣＤカメラ４８によって撮像される。観察者は、ＣＣＤカメラ４８の出力画像を見ることで試料６０を観察することができる。本実施形態では、この出力画像が制御システム１４のディスプレイ装置１４ａに供給され、そこに表示される。

本実施形態では、試料６０中の複数の位置に光を集束させて点像を形成し、光の圧力によって試料６０中の粒子を各点像の位置に捕捉する。空間光変調器１２に入力するＣＧＨを制御して点像の位置を徐々に変化させれば、捕捉した粒子を移動させることもできる。捕捉した粒子の移動は、一次元、二次元、三次元のいずれであってもよい。

複数の点像は一つの平面上に配置されていてもよいし、異なる平面上に配置されていてもよい。図２は、点像の配置例を示す概略図であり、ここで（ａ）は、一つの集光面６１上に配置された４個の点像６４Ａ〜６４Ｄを示しており、（ｂ）は、異なる集光面６２Ａ〜６２Ｄに配置された点像６４Ａ〜６４Ｄを示している。

以下では、試料６０中の粒子を捕捉するための制御システム１４の操作方法を説明する。ディスプレイ装置１４ａには、ＣＣＤカメラ４８によって取得された試料６０の画像が表示される。試料６０中の粒子を所望の位置で捕捉する場合、オペレータは、制御システム１４の入力装置を操作して、試料６０の画像中で捕捉位置を指定する。この指定は、画像中の任意の位置をマウスでクリックすることであってもよいし、捕捉位置の座標を制御システム１４に入力することであってもよい。制御システム１４は、指定された位置に点像を形成するための出力ＣＧＨを作成し、その出力ＣＧＨに対応する画像信号を空間光変調器１２内のＬＣＤ３２に供給する。これにより読出し光２６が位相変調され、試料６０中の指定された位置に点像が形成される。この点像の付近に粒子があると、点像を形成する光の圧力によって、その粒子は点像の位置に捕捉される。他の位置でも粒子を捕捉したい場合は、上記と同様の操作により別の捕捉位置を指定する。こうして、任意の複数の位置に粒子を捕捉することができる。

本実施形態では、４個の点像６４Ａ〜６４Ｄを得るために、図３に示される出力ＣＧＨを使用する。この出力ＣＧＨ６６は、正方形の輪郭を有しており、行列状に配列された１６個の部分ホログラムから構成されている。各部分ホログラムの輪郭は、一辺の長さが（１／３）×ｄ１の正方形である。図３では、これらの部分ホログラムに、識別のためのラベルＡ１〜Ａ４、Ｂ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４およびＤ１〜Ｄ４が付されている。部分ホログラムＡ１〜Ａ４は点像６４Ａを、部分ホログラムＢ１〜Ｂ４は点像６４Ｂを、部分ホログラムＣ１〜Ｃ４は点像６４Ｃを、部分ホログラムＤ１〜Ｄ４は点像６４Ｄをそれぞれ形成する。

このように、離散的に配置された４個の部分ホログラムを用いて一つの点像が形成される。これら４個の部分ホログラムは、ＣＧＨ６６を２分割した第１の領域７１と第２の領域７２とに振り分けて配置されている。例えば、点像６４Ａを形成する部分ホログラムのうちＡ１およびＡ３は第１の領域７１に配置され、Ａ２およびＡ４は第２の領域７２に配置されている。他の点像についても同様である。したがって、一つの捕捉位置に読出し光を集束させるための４個の部分ホログラムの各々は、他の３個の部分ホログラムから離間している。これらの離間した部分ホログラムの間には、別の捕捉位置に対して用意された部分ホログラムが配置されている。

点像ごとに独立して部分ホログラムを用意するので、一つの点像のみを動かすときは、その点像に対応する部分ホログラムのみを更新すれば済み、他の点像に対応する部分ホログラムは更新する必要がない。このため、光ピンセット装置１０によれば、点像に捕捉した試料６０中の粒子を迅速に操作することができる。

図４は、一つの点像の移動例として、点像６４Ｂの移動を示す概略図である。上述のように点像６４Ｂはディスプレイ装置１４ａ上で位置を指定することにより形成されるが、その点像６４Ｂを移動させるときは、制御システム１４の入力装置を操作して、すでに指定した捕捉位置を変更する。移動する捕捉位置の終点が制御システム１４に入力されると、制御システム１４は現在の位置から終点までの軌跡を計算し、軌跡が長い場合には、その軌跡上に位置する一つ以上の中間点を算出し、その中間点に点像を形成するＣＧＨを作成する。ＣＧＨを繰り返し更新して中間点を徐々に終点に近づけていき、最後に終点に点像を形成する。これは、点像に長距離を一度に移動させると、粒子を捕捉し続けることが難しいからである。一方、軌跡が十分に短ければ、中間点を算出せずに、終点に点像を形成するＣＧＨを最初から作成する。このようにして、点像６４Ｂとそこに捕捉された粒子が終点まで移動させられる。

なお、図４に示されるように、点像の移動は３次元的に行うことができる。これは、対物レンズ５３の光軸と垂直な平面内での２次元的な移動に、対物レンズ５３の光軸方向５５に沿った移動を組み合わせることにより実現される。具体的には、点像を形成するための一つ以上の部分ホログラムに、レンズ効果を持つ位相パターンを足し合わせて出力ＣＧＨを作成することにより、点像の３次元移動を比較的簡易に実現することができる。レンズ効果の強さを更新すれば、対物レンズ５３の光軸方向５５に沿って点像を移動させることができる。一つの点像を形成するための部分ホログラムに重ね合わされた位相パターンのみのレンズ効果を変更すれば、その点像だけを光軸方向５５に沿って移動させることができる。

以下では、上述した特開２００４−１３８９０６号公報に記載される方法を本実施形態と比較しながら、本実施形態の利点を説明する。同公報に記載の方法では、４個の点像６４Ａ〜６４Ｄを形成する場合、図５に示されるような出力ＣＧＨを用いることになる。この出力ＣＧＨ６８は、ＣＧＨ６６と同じ寸法の正方形の輪郭を有しており、行列状に配列された４個の部分ホログラムＡ０、Ｂ０、Ｃ０およびＤ０から構成されている。各部分ホログラムの輪郭は、一辺の長さがｄ２の正方形である。ここでｄ２は、図３に示されるｄ１の３分の２である。これらの部分ホログラムＡ０、Ｂ０、Ｃ０およびＤ０は、それぞれ点像６４Ａ、６４Ｂ、６４Ｃおよび６４Ｄを形成する。

このように、従来のＣＧＨ６８を使用する場合は、一つの部分ホログラムを用いて一つの点像が形成される。したがって、ＣＧＨ６６と異なり、一つの点像を形成する部分ホログラムは、ＣＧＨ６８を２分割した第１の領域７１および第２の領域７２のいずれか一方のみに配置されている。具体的には、点像６４Ａ、６４Ｃを形成する部分ホログラムＡ０、Ｃ０は第１の領域７１のみに配置され、点像６４Ｂ、６４Ｄを形成する部分ホログラムＢ０、Ｄ０は第２の領域７２のみに配置されている。

図６は、ＣＧＨを用いた点像の形成を示す概略図であり、ここで（ａ）はＣＧＨ６６を用いた点像の形成、（ｂ）は従来のＣＧＨ６８を用いた点像の形成を示している。この図では、簡単のため、点像６４Ａおよび６４Ｂのみを描いてある。

図６（ｂ）に示されるように、従来のＣＧＨ６８を用いる場合、点像６４Ａは、対物レンズ５３から出射する読出し光２６のうち部分ホログラムＡ０によって変調された光ビーム７７が集束することにより形成される。この光ビームの開口数は、部分ホログラムＡ０の面積、すなわちｄ２×ｄ２に対応する。他の点像６４Ｂ〜６４Ｄに集束する光ビームの開口数も同じである。

次に、図６（ａ）について説明する。上述のように、点像６４Ａを形成するＣＧＨ６６の部分ホログラムＡ１〜Ａ４は、ＣＧＨ６６の第１および第２の領域７１、７２に振り分けて配置されている。この結果、対物レンズ５３のレンズ面において各部分ホログラムＡ１〜Ａ４に対応する領域の各々から光ビームが出射し、それらの光ビームが一点に集まって、点像６４Ａを形成する。なお、図面の簡単のため、図６（ａ）には、部分ホログラムＡ１、Ａ２によって生成される光ビームのみが、それぞれ符号７５_１、７５_２で表されている。

点像６４Ａに集まる光の開口数は、部分ホログラムＡ１〜Ａ４によって生成される４本の光ビームの、対物レンズ５３のレンズ面における分布の広さに応じて定まる。この分布の広さは、図３に示される距離ｄ１に対応する。従来のＣＧＨ６８では、点像６４Ａを形成する部分ホログラムＡ０が第１の領域７１にしか存在せず、したがって部分ホログラムの分布の広さは図５に示される距離ｄ２に対応する。これに対し、本実施形態のＣＣＨ６６では、一つの点像６４Ａを形成するために複数の部分ホログラムＡ１〜Ａ４を含んでおり、これらの部分ホログラムは互いに離間している。部分ホログラムＡ１〜Ａ４は、ＣＧＨ６６の第１の領域７１のみならず第２の領域７２にまで分布しており、その分布の広さに対応する距離ｄ１はｄ２よりも長い。このため、ＣＧＨ６６を使用した方がＣＧＨ６８を使用する場合よりも、点像６４Ａに関して大きな開口数を得ることができる。同様に、他の点像６４Ｂ〜６４Ｄも、互いに離間した部分ホログラムＢ１〜Ｂ４、Ｃ１〜Ｃ４、Ｄ１〜Ｄ４によって形成されるので、それらの点像に集まる光ビームは大きな開口数を有する。光圧によって点像に物体を捕捉する力は、点像に集まる光ビームの開口数が大きいほど強いので、光ピンセット装置１０は点像６４Ａ〜６４Ｄにおいて高い捕捉力を発揮することができる。

また、光ピンセット装置１０は、一つの点像に対応する部分ホログラムのみを更新することにより、その点像を他の点像と独立に移動させ、それにより、その点像に捕捉された物体を他の点像に捕捉された物体と独立に移動させることができる。したがって、光ピンセット装置１０は、高い自由度で物体を操作することができる。

更に、光ピンセット装置１０は、点像およびその点像に捕捉された物体を３次元的に移動させることができるので、その点でも物体を操作する自由度が高い。点像を３次元的に移動させると、その移動に伴ってその点像に対する開口数が増減する。しかし、上述のように点像に対する開口数が増大しているので、比較的長い距離の移動にわたって十分に大きな開口数を維持し、物体の捕捉を続けることができる。

第２実施形態
以下では、本発明の第２の実施形態を説明する。本実施形態の光ピンセット装置の構成は図１に示される通りである。本実施形態は、ＣＧＨにおける部分ホログラムの配列が第１実施形態と異なっている。

一つの点像を形成する複数の部分ホログラムが第１実施形態のように規則的に配列されていると、その規則的な配列に起因して余分な回折光が点像の周辺に発生してしまう。図７は、回折光の発生を示す平面図であり、ここで（ａ）は、ＣＧＨ６６によって生成される点像６４Ａ〜６４Ｄを示しており、（ｂ）は点像６４Ａの周囲に発生した回折光７５を拡大して示している。この回折光７５の強度が大きいと、回折光７５が物体を捕捉して、点像６４Ａでの捕捉を妨げるおそれがある。そこで、本実施形態では、一つの点像を形成する部分ホログラムを不規則に配列することで、回折ノイズ光を低減する。

不規則な配列の一例は、一つの点像を形成する複数の部分ホログラムがある点を中心とした１８０°／ｎ（ｎは整数）の回転対称性を有さないような配列である。また、複数の点像を形成するための複数の部分ホログラムを行列状に配列する場合は、一つの点像を形成するための複数の部分ホログラムを、それらを直線で結んだときに方形を成さないように配列するとよい。

図８は、本実施形態で使用する出力ＣＧＨを示す概略平面図である。この図では、これらの部分ホログラムに、識別のためのラベルＡ５〜Ａ８、Ｂ５〜Ｂ８、Ｃ５〜Ｃ８およびＤ５〜Ｄ８が付されている。部分ホログラムＡ５〜Ａ８は点像６４Ａを、部分ホログラムＢ５〜Ｂ８は点像６４Ｂを、部分ホログラムＣ５〜Ｃ８は点像６４Ｃを、部分ホログラムＤ５〜Ｄ８は点像６４Ｄをそれぞれ形成する。

Ａ５〜Ａ８は互いに離間しているので、第１実施形態で説明したように、点像６４Ａにおいて高い捕捉力を得ることができる。また、Ｂ５はＢ６〜Ｂ８と離間しているので、点像６４Ｂにおいても高い捕捉力を得ることができる。Ｃ５はＣ７と隣接しているが、Ｃ６およびＣ８とは離間している。したがって、点像６４Ｃにおいても高い捕捉力を得ることができる。同様に、Ｄ５はＤ６と隣接しているが、Ｄ７およびＤ８とは離間しているので、点像６４Ｄにおいても高い捕捉力を得ることができる。一般に、一つの捕捉位置に対応する複数の部分ホログラムの一つが、当該複数の部分ホログラムの他の部分ホログラムの少なくとも一つと離間していれば、捕捉力を高める効果を得ることができる。

ＣＧＨ８０は、第１実施形態で使用するＣＧＨ６６と異なり、各点像を形成する複数の部分ホログラムが不規則に配列されている。図３に示されるように、ＣＧＨ６６では、点像６４Ａを形成する部分ホログラムＡ１〜Ａ４が、正方形の四つの頂点に位置するように配列されており、その結果、部分ホログラムＤ１を中心として９０°回転対称に配列されている。これに対し、ＣＧＨ８０では、部分ホログラムＡ５〜Ａ８の間隔が縦方向および横方向で同一でなく、また、部分ホログラムＡ８は、部分ホログラムＡ６と異なる列、および部分ホログラムＡ７と異なる行に配列されている。したがって、部分ホログラムＡ５〜Ａ８を直線で結んでも方形を成さないし、部分ホログラムＡ５〜Ａ８の配列は１８０°／ｎの回転対称性を有さない。ＣＧＨ８０では、他の点像６４Ｂ〜６４Ｄを形成する部分ホログラムも同様に不規則に配列されている。

図９は、ＣＧＨ８０による回折光の低減を示す平面図であり、ここで（ａ）は、ＣＧＨ８０によって生成される点像６４Ａ〜６４Ｄを示しており、（ｂ）は点像６４Ａの周辺を拡大して示している。点像６４Ａ〜６４Ｄの配列は、ＣＧＨ６６によって形成されるものと同じである。図７（ｂ）と図９（ｂ）とを比較すれば明らかなように、ＣＧＨ８０を使用することにより点像６４Ａの周囲に現れる回折光が低減されている。他の点像６４Ｂ〜６４Ｄの周囲でも、同様に回折光が低減されている。これにより、物体を点像６４Ａ〜６４Ｄの位置に、より確実に捕捉することができる。

以上、本発明をその実施形態に基づいて詳細に説明した。しかし、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

例えば、制御システム１４の出力ＣＧＨを構成する複数の部分ホログラムの輪郭は均一である必要はない。部分ホログラムの不規則な配列は、図８に示されるものに限られず、回折光を低減できるものであれば任意の配列を採用することができる。

上記実施形態では、オペレータの命令に応じて制御システム１４が部分ホログラムおよび出力ＣＧＨを計算しているが、予め計算された部分ホログラムまたは出力ＣＧＨを制御システム１４内の記憶装置に格納しておき、オペレータの命令に応じて、制御システム１４がその記憶装置から部分ホログラムまたは出力ＣＧＨを読み出すようになっていてもよい。

光ピンセット装置の構成を示す概略図である。 点像の配置例を示す概略図である。 第１実施形態で使用するＣＧＨを示す概略平面図である。 ４個の点像のうちの一つの移動を示す概略図である。 従来のＣＧＨを示す概略平面図である。 ＣＧＨを用いた点像の形成を示す概略図である。 点像の周囲に発生した回折光を示す平面図である。 第２実施形態で使用するＣＧＨを示す概略平面図である。 図８のＣＧＨによる回折光の低減を示す平面図である。

符号の説明

１０…光ピンセット装置、１１…光パターン形成装置、１２…空間光変調器、１４…制御システム、１６…読出し光源、１８…ビームエキスパンダ、２０…コリメータレンズ、２２…フーリエ変換レンズ、２６…読出し光、２８…発光装置、３０…書込み光源、３２…ＬＣＤ、３４…結像レンズ、３６…ＰＡＬ−ＳＬＭ、３８…書込み光、４０…光ピンセット装置、４１…撮像光学系、４８…ＣＣＤカメラ、５０…顕微鏡、５３…対物レンズ、５４…試料台、６０…試料、６４Ａ〜６４Ｄ…点像、６６、８０…実施形態の出力ホログラム、６８…従来の出力ホログラム、７５…回折光。

Claims (7)

1. 複数の捕捉位置に光を集束させ、その光の圧力によって前記複数の捕捉位置の各々に物体を捕捉することが可能な光ピンセット装置であって、
   読出し光を発する発光手段と、
   前記複数の捕捉位置の各々に対して一つ以上の部分位相パターンを用意し、これらの部分位相パターンを２次元的に配列して出力位相パターンを作成する位相パターン生成手段と、
   前記出力位相パターンに応じて前記読出し光の位相を変調する空間光変調器と、
   を備え、
   前記位相パターン生成手段は、前記複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために複数の前記部分位相パターンを用意し、当該複数の部分位相パターンの一つが当該複数の部分位相パターンの他の部分位相パターンの少なくとも一つと離間するように、当該複数の部分位相パターンを配列する、光ピンセット装置。
2. 前記位相パターン生成手段は、前記複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために用意された前記複数の部分位相パターンのうち互いに離間した二つの前記部分位相パターンの間に、他の前記捕捉位置に対して用意された前記部分位相パターンを配置する、請求項１に記載の光ピンセット装置。
3. 前記位相パターン生成手段は、前記複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために用意された前記複数の部分位相パターンを不規則に配列する、請求項１または２に記載の光ピンセット装置。
4. 前記位相パターン生成手段は、前記複数の捕捉位置の一つに光を集束させるために用意された前記複数の部分位相パターンを、１８０°／ｎ（ｎは整数）の回転対称性を有さないように配列する、請求項１または２に記載の光ピンセット装置。
5. 前記複数の捕捉位置の一つに対して用意される前記一つ以上の部分位相パターンのみを更新することにより、当該複数の捕捉位置の一つのみを移動させる、請求項１〜４のいずれかに記載の光ピンセット装置。
6. 前記複数の捕捉位置の少なくとも一つを３次元的に移動させる請求項１〜５のいずれかに記載の光ピンセット装置。
7. 前記位相パターン生成手段は、前記複数の捕捉位置の一つに対して用意される前記一つ以上の部分位相パターンに、レンズ効果を有する位相パターンを重ね合わせ、前記レンズ効果の強さを更新することにより、当該複数の捕捉位置の一つを３次元的に移動させる、請求項６に記載の光ピンセット装置。

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