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JP2003195182A - Condensing optical system and particle manipulation device - Google Patents

Condensing optical system and particle manipulation device

Info

Publication number
JP2003195182A
JP2003195182A JP2001398147A JP2001398147A JP2003195182A JP 2003195182 A JP2003195182 A JP 2003195182A JP 2001398147 A JP2001398147 A JP 2001398147A JP 2001398147 A JP2001398147 A JP 2001398147A JP 2003195182 A JP2003195182 A JP 2003195182A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical system
spherical aberration
light beam
light flux
condensing
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP2001398147A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kumiko Matsutame
久美子 松爲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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 Nikon Corp filed Critical Nikon Corp
Priority to JP2001398147A priority Critical patent/JP2003195182A/en
Publication of JP2003195182A publication Critical patent/JP2003195182A/en
Pending legal-status Critical Current

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Landscapes

  • Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Micromachines (AREA)
  • Manipulator (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 発生させた円錐状の集光光束の球面収差を連
続的かつ大幅に変えることができる集光光学系と、この
ような集光光学系を有して十分な力で試料を捕捉・操作
することが可能な微粒子操作装置とを提供する。また更
に、観察光学系において良好なコントラストで微粒子を
観察することが可能な微粒子操作装置を提供する。 【解決手段】 集光光束の光路中にこの光路方向の長さ
を任意に変化させることが可能な液体セルを設けて集光
光学系を構成する。また、このような集光光学系を備え
て微粒子操作装置を構成し、液体セルの上記光路方向長
さを変化させることにより、液体セル中を通る集光光束
に連続的かつ任意の球面収差を発生させて微粒子を捕捉
・操作する。また、微粒子操作装置を、集光光束の球面
収差と光軸方向のピント位置とを任意かつ独立に変更で
きるように構成する。
(57) Abstract: A condensing optical system capable of continuously and largely changing the spherical aberration of a generated conical condensed light beam, and a sufficient light having such a condensing optical system Provided is a particle manipulation device capable of capturing and manipulating a sample by force. Further, the present invention provides a particle manipulation device capable of observing particles with good contrast in an observation optical system. SOLUTION: A condensing optical system is provided by providing a liquid cell capable of arbitrarily changing the length in the optical path direction in an optical path of a condensed light beam. In addition, a fine particle manipulation device including such a condensing optical system is configured, and by changing the length of the liquid cell in the optical path direction, a continuous and arbitrary spherical aberration is generated in the condensed light beam passing through the liquid cell. Generate and capture and manipulate fine particles. Further, the particle manipulation device is configured such that the spherical aberration of the converged light beam and the focus position in the optical axis direction can be arbitrarily and independently changed.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、円錐状の集光光束
を発生させる集光光学系に関する。また、このような集
光光学系により発生させた円錐状の集光光束を微粒子に
照射することにより、その微粒子を三次元的に捕捉した
り移動させたりする微粒子操作装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a condensing optical system for generating a conical condensed light beam. Further, the present invention relates to a fine particle manipulation device that traps or moves the fine particles three-dimensionally by irradiating the fine particles with a conical focused light flux generated by such a focusing optical system.

【0002】[0002]

【従来の技術】光による微粒子の操作は、一般に光ピン
セットや光トラップと呼ばれ、光源に主としてレーザを
用いることから、レーザトラッピングやレーザツイーザ
などとも呼ばれている。この手法は、光源からのレーザ
光を集光光学系により円錐状に集光し、媒質中の微粒子
の近傍に照射することにより、微粒子に発生する光の放
射圧を利用して微粒子を捕捉・保持したり移動させたり
するものであり、生体細胞や微生物などを非接触かつ非
破壊で捕捉し操作する方法として様々に利用されてい
る。
2. Description of the Related Art Manipulation of fine particles by light is generally called optical tweezers or an optical trap. Since a laser is mainly used as a light source, it is also called laser trapping or laser tweezers. In this method, laser light from a light source is condensed into a conical shape by a condensing optical system and is irradiated to the vicinity of the fine particles in a medium, and the radiation pressure of the light generated in the fine particles is used to capture the fine particles. It is held or moved, and is used in various ways as a method for capturing and manipulating living cells and microorganisms in a non-contact and non-destructive manner.

【0003】図4に示されるように、光ピンセット用光
源LS1から出射された光ピンセット用の平行光束L1
1は、ダイクロイックミラーDMにより波長選択的に反
射されて通常の球面収差が略ゼロの集光光学系O3に入
射し、この集光光学系O3を通過した球面収差のない円
錐状の集光光束L13が、シャーレやスライドグラスな
どのホルダーHに保持された媒質B中の微粒子Sの近傍
を照射する。そして、図5に示されるように、集光光学
系O3によって円錐状に集光された集光点Pの近傍に微
粒子Sが存在すると、この円錐状の集光光束L13は微
粒子Sの表面で反射したり微粒子Sの内部で屈折したり
してその進行方向が変化し、結果として光束の運動量が
変化する。このとき、微粒子Sには集光光束L13の運
動量変化に応じた放射圧が発生し、図中に太い実線の矢
印で表されるような力Fが作用する。
As shown in FIG. 4, a parallel light flux L1 for optical tweezers emitted from a light source LS1 for optical tweezers.
Reference numeral 1 denotes a conical focused light flux which is reflected by the dichroic mirror DM in a wavelength-selective manner, enters a focusing optical system O3 having a normal spherical aberration of substantially zero, and passes through the focusing optical system O3 without spherical aberration. L13 irradiates the vicinity of the fine particles S in the medium B held in the holder H such as a petri dish or a slide glass. Then, as shown in FIG. 5, when the fine particles S are present in the vicinity of the condensing point P condensed by the condensing optical system O3 in a conical shape, the conical condensed light flux L13 is formed on the surface of the fine particles S. The traveling direction changes due to reflection or refraction inside the fine particles S, and as a result, the momentum of the light flux changes. At this time, a radiation pressure is generated on the fine particles S according to a change in momentum of the condensed light beam L13, and a force F as indicated by a thick solid arrow in the drawing acts.

【0004】いま、微粒子Sが周囲の媒質Bの屈折率よ
りも高い屈折率を持ち、吸収のない球形微粒子の場合に
は、集光光束の運動量変化の解析から、放射圧は光強度
の高い方に作用し、集光点Pに引き寄せられるような力
Fが作用することが知られている。従って、この力Fを
利用して、微粒子Sを捕捉し操作することが可能にな
る。また、このようにして媒質B中の微粒子Sを捕捉し
操作する際には、その様子を観察する必要があり、その
ために観察光学系が設けられている。すなわち、ホルダ
ーHの下方に設置されている観察用光源LS2から出射
された照射用の光束L2は、照明光学系C1を通過して
媒質B中の微粒子Sの近傍一帯を照明した後、集光光学
系O3を通過し、ダイクロイックミラーDMを通り抜
け、像面IMGに結像される。そして、この像面IMG
に結像された微粒子Sの拡大像を、CCDカメラ等の撮
像手段Dや接眼レンズEPを介して肉眼Eによって見る
ことにより、媒質B中の微粒子Sを捕捉し操作する様子
を観察することが可能になる。
If the fine particles S are spherical fine particles having a refractive index higher than that of the surrounding medium B and no absorption, the radiation pressure has a high light intensity based on the analysis of the momentum change of the condensed light flux. It is known that a force F that acts on one side and is attracted to the condensing point P acts. Therefore, it is possible to capture and operate the fine particles S by using this force F. Further, when capturing and operating the fine particles S in the medium B in this way, it is necessary to observe the state, and for that reason, an observation optical system is provided. That is, the light flux L2 for irradiation emitted from the observation light source LS2 installed below the holder H passes through the illumination optical system C1 and illuminates the entire area in the vicinity of the fine particles S in the medium B, and then is condensed. It passes through the optical system O3, passes through the dichroic mirror DM, and is imaged on the image plane IMG. And this image plane IMG
By observing the magnified image of the fine particles S formed on the image with the naked eye E through the image pickup means D such as a CCD camera or the eyepiece EP, it is possible to observe how the fine particles S in the medium B are captured and operated. It will be possible.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の光ピンセットにおいては、光ピンセット用の集光光
束の進行方向に沿った軸方向、すなわち光軸方向に微粒
子を捕捉する力(以下、この微粒子を捕捉する力を「ト
ラップ力」と称する)が光軸方向と垂直な方向のトラッ
プ力に比べて格段に小さい上、その及ぶ範囲も限られて
いるため、媒質中の深い位置にある微粒子を捕捉するこ
とが困難であるという問題があった。例えば、カバーガ
ラスを介して水等の液体からなる媒質中の微粒子を捕捉
する場合、光ピンセットの集光光学系として実際によく
使用される生態観察用対物レンズは、カバーガラス下面
において球面収差が略ゼロとなるように調整されてお
り、カバーガラス下方の媒質内の深い位置に光束を集光
すると、媒質を通過する際にマイナスの球面収差が発生
するため、光ピンセットで捕捉しようとする微粒子の媒
質中における位置が深くなるに連れて光ピンセットで得
られる最大トラップ力は弱くなってしまっていた。ま
た、厚い生体試料の表面近くではなく内部の深い位置に
ある分子を捕捉する場合などにおいても、同様の事態が
生じる。更に、対物レンズの球面収差はカバーガラス下
面において略ゼロとはいっても、設計上或いは製造上、
若干の球面収差が残っていることが多いため、媒質内の
同じ深さにある微粒子を捕捉する場合にも、使用する対
物レンズによって収差が異なり、その結果捕捉力が異な
って捕捉力が安定しないという問題もあった。
However, in the above-mentioned conventional optical tweezers, a force for trapping fine particles in the axial direction along the traveling direction of the condensed light flux for the optical tweezers, that is, in the optical axis direction (hereinafter, this fine particle will be described). The trapping force is called "trapping force") is much smaller than the trapping force in the direction perpendicular to the optical axis direction, and its range is limited. There was a problem that it was difficult to capture. For example, when capturing fine particles in a medium composed of a liquid such as water through a cover glass, an objective lens for biological observation that is actually often used as a focusing optical system of optical tweezers has a spherical aberration on the lower surface of the cover glass. It is adjusted so that it becomes almost zero, and if a light beam is focused deep inside the medium below the cover glass, negative spherical aberration will occur when passing through the medium. The maximum trapping force obtained with optical tweezers became weaker as the position in the medium deepened. A similar situation occurs when capturing molecules at deep positions inside the thick biological sample instead of near the surface. Furthermore, although the spherical aberration of the objective lens is almost zero on the lower surface of the cover glass, it is
Since a small amount of spherical aberration often remains, even when trapping fine particles at the same depth in the medium, the aberration differs depending on the objective lens used, and as a result, the trapping force is different and the trapping force is not stable. There was also a problem.

【0006】また、上記従来の光ピンセット装置におい
ては、集光光学系に軸上色収差が存在するため、光ピン
セット用の集光光束の光軸方向集光位置と、観察光学系
における光軸方向合焦位置とは必ずしも一致しないこと
が多かった。その結果、光ピンセットによって捕捉され
た微粒子を観察光学系で観察しようとしても、この微粒
子の光軸方向位置が観察光学系における光軸方向合焦位
置とずれてコントラストが低下し、観察対象である微粒
子がピンぼけして観察しづらくなるという問題があっ
た。上記ずれ量が更に大きい場合には、微粒子を全く観
察できなくなる場合もあった。
Further, in the above-mentioned conventional optical tweezers, since there is axial chromatic aberration in the converging optical system, the converging position of the converging light beam for the optical tweezers and the optical axis direction in the observation optical system. It often did not always match the in-focus position. As a result, even if an attempt is made to observe the fine particles captured by the optical tweezers with the observation optical system, the position of the fine particles in the optical axis direction deviates from the focus position in the optical axis direction of the observation optical system, and the contrast is lowered. There is a problem that the fine particles are out of focus and are difficult to observe. In some cases, when the amount of displacement is larger, the fine particles cannot be observed at all.

【0007】本発明はこれらの問題に鑑みてなされたも
のであり、発生させた円錐状の集光光束の球面収差を連
続的かつ大幅に変えることができる集光光学系と、この
ような集光光学系を有して十分な力で試料(微粒子)を
捕捉・操作することが可能な微粒子操作装置とを提供す
ることを目的としている。また、観察光学系において良
好なコントラストで微粒子を観察することが可能な微粒
子操作装置を提供することを目的としている。
The present invention has been made in view of these problems, and a condensing optical system capable of continuously and significantly changing the spherical aberration of the generated conical condensed light beam, and such a condensing optical system. An object of the present invention is to provide a particle manipulation device having an optical optical system and capable of capturing and manipulating a sample (particle) with sufficient force. Another object of the present invention is to provide a fine particle manipulating device capable of observing fine particles with good contrast in an observation optical system.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者らはこのような
背景を元に鋭意研究を重ねた結果、上記課題を解決する
手段を見出した。本発明に係る集光光学系、すなわち請
求項1に記載の集光光学系は、円錐状の集光光束を発生
する集光光学系において、集光光束の光路中にこの光路
方向の長さを任意に変化させることが可能な液体セルを
設け、この液体セルの光路方向長さを変化させることに
より、液体セル中を通る集光光束に連続的かつ任意の球
面収差を発生させるようにしたことを特徴とする。ここ
で液体セルとは、液体セルは、伸縮自在な封入体(容
器)内に液体を封入したものであり、封入体内に封入さ
れる液体にはジェル状のものを含む。
Means for Solving the Problems The present inventors have conducted intensive studies based on such a background, and as a result, have found means for solving the above problems. A condensing optical system according to the present invention, that is, a condensing optical system according to claim 1, is a condensing optical system that generates a conical condensing light beam. By providing a liquid cell that can be changed arbitrarily and changing the length of the liquid cell in the optical path direction, continuous and arbitrary spherical aberration is generated in the condensed light flux passing through the liquid cell. It is characterized by Here, the liquid cell is a liquid cell in which a liquid is enclosed in an expandable / contractible enclosure (container), and the liquid enclosed in the enclosure includes a gel type.

【0009】また、本発明に係る微粒子操作装置、すな
わち請求項2に記載の微粒子操作装置は、円錐状の集光
光束を発生する集光光学系を有し、集光光束を媒質中の
微粒子に照射することにより微粒子を捕捉・操作する微
粒子操作装置において、上記本発明に係る集光光学系を
備え、集光光束に連続的かつ任意の球面収差を発生させ
て微粒子を捕捉・操作することを特徴とする。請求項3
に記載の微粒子操作装置は、請求項2に記載の微粒子操
作装置において、微粒子を観察する観察光学系が集光光
学系の一部を含んでなり、この観察光学系に、集光光束
のピント位置を補正する補正機構を設けたことを特徴と
する。
Further, a fine particle manipulating apparatus according to the present invention, that is, a fine particle manipulating apparatus described in claim 2, has a condensing optical system for generating a conical condensing light beam, and the condensing light beam is a fine particle in a medium. A fine particle manipulation device for capturing and manipulating fine particles by irradiating the same with the condensing optical system according to the present invention, wherein the condensing light beam continuously and arbitrarily generates spherical aberration to trap and manipulate the fine particles. Is characterized by. Claim 3
The fine particle manipulation apparatus according to claim 2 is the fine particle manipulation apparatus according to claim 2, wherein the observation optical system for observing the fine particles includes a part of a focusing optical system, and the focusing optical system focuses on the observation optical system. It is characterized in that a correction mechanism for correcting the position is provided.

【0010】また、もう一つの本発明に係る微粒子操作
装置、すなわち請求項4に記載の微粒子操作装置は、円
錐状の集光光束を発生する集光光学系を有し、集光光束
を媒質中の微粒子に照射することにより微粒子を捕捉・
操作する微粒子操作装置において、集光光束の球面収差
と光軸方向のピント位置とを任意かつ独立に変更できる
ようにしたことを特徴とする。また、請求項5に記載の
微粒子操作装置は、請求項4に記載の微粒子操作装置に
おいて、上記集光光学系が集光光束の集光点と光学的に
共役な共役集光点を有し、この共役集光点の近傍に集光
光束の球面収差を変更する球面収差変更機構と、集光光
束のピント位置を変更するピント位置変更機構とが設け
られたことを特徴とする。
Further, another particle manipulating device according to the present invention, that is, a particle manipulating device according to a fourth aspect, has a condensing optical system for generating a conical condensed light beam, and the condensed light beam is a medium. Capture the particles by irradiating the particles inside
The fine particle operating device to be operated is characterized in that the spherical aberration of the condensed light beam and the focus position in the optical axis direction can be arbitrarily and independently changed. Further, a fine particle manipulating apparatus according to a fifth aspect is the fine particle manipulating apparatus according to the fourth aspect, wherein the condensing optical system has a conjugate condensing point optically conjugate with a condensing point of the condensed light beam. A spherical aberration changing mechanism for changing the spherical aberration of the condensed light beam and a focus position changing mechanism for changing the focus position of the condensed light beam are provided in the vicinity of the conjugate light converging point.

【0011】また、請求項6に記載の微粒子操作装置
は、請求項4又は請求項5に記載の微粒子操作装置にお
いて、上記ピント位置変更機構が、集光光束の光路中に
対向設置された正の屈折力を持つレンズ或いはレンズ群
からなり、これらレンズ或いはレンズ群の間隔を変えて
集光光束のピント位置を変更するようになっていること
を特徴とする。また、請求項7に記載の微粒子操作装置
は、請求項4又は請求項5に記載の微粒子操作装置にお
いて、上記ピント位置変更機構が、集光光束の光路中に
対向設置された正の屈折力を持つレンズ或いはレンズ群
と、負の屈折力を持つレンズ或いはレンズ群とからな
り、これらレンズ或いはレンズ群の間隔を変えて集光光
束のピント位置を変更するようになっていることを特徴
とする。
Further, the fine particle manipulating apparatus according to a sixth aspect is the fine particle manipulating apparatus according to the fourth or fifth aspect, in which the focus position changing mechanism is installed oppositely in the optical path of the condensed light beam. It is characterized in that it is composed of a lens or a lens group having a refracting power of, and the focus position of the condensed light flux is changed by changing the interval between these lenses or the lens group. Further, the fine particle manipulation device according to claim 7 is the fine particle manipulation device according to claim 4 or 5, wherein the focus position changing mechanism has a positive refracting power that is installed to face the optical path of the condensed light flux. And a lens group having a negative refracting power and a lens or a lens group having a negative refracting power, and changing the distance between the lenses or the lens group to change the focus position of the condensed light beam. To do.

【0012】更に、請求項8に記載の微粒子操作装置
は、請求項4〜7のいずれかに記載の微粒子操作装置に
おいて、上記球面収差変更機構が、集光光束の光路中に
上記光路方向の長さを任意に変化させることが可能な液
体セルを有し、液体セルの光路方向長さを変化させるこ
とにより、液体セル中を通る集光光束に連続的かつ任意
の球面収差を発生させるようになっていることを特徴と
する。
Further, in the fine particle manipulating apparatus described in claim 8, in the fine particle manipulating apparatus according to any one of claims 4 to 7, the spherical aberration changing mechanism is arranged in the optical path of the condensed light beam in the optical path direction. By having a liquid cell whose length can be changed arbitrarily, and by changing the length of the liquid cell in the optical path direction, continuous and arbitrary spherical aberration is generated in the condensed light flux passing through the liquid cell. It is characterized by being.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の好
ましい実施形態について説明する。図1は本発明の第1
の実施形態に係る微粒子操作装置の原理的な概念図を示
している。図1において、光ピンセット用光源LS1か
らの平行光束L1は、集光光学系Oを通過する間に球面
収差を付与され、近軸光線の集光点Pに対して最大NA
成分光が球面収差SAを持つような集光光束となる。こ
の球面収差SAを持つ光束を用いて媒質B中の微粒子S
を捕捉する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the first of the present invention.
FIG. 3 is a conceptual conceptual diagram of the particle manipulation device according to the embodiment of FIG. In FIG. 1, the parallel light flux L1 from the optical tweezers light source LS1 is given spherical aberration while passing through the focusing optical system O, and has a maximum NA with respect to the focusing point P of paraxial rays.
The component light becomes a condensed light flux having spherical aberration SA. By using the light flux having the spherical aberration SA, the fine particles S in the medium B are
To capture.

【0014】集光光学系Oは、対物レンズ等からなる第
1光学系O1と、球面収差を光束に付与するための第2
光学系O2とからなる。球面収差を光束に付与する第2
光学系O2は、光束を収束させるための一対のレンズL
P1,LP2と、これらレンズLP1,LP2間に配さ
れた液体セルLCとからなる。液体セルLCは、ガラス
或いはプラスチック等からなるセル(封入体)の内部に
水やオイルなどの液体LQが封入されていて、平行光束
L1がセルを通過する距離dを任意かつ連続的に変化さ
せることができるようになっている。
The condensing optical system O includes a first optical system O1 including an objective lens and a second optical system O1 for imparting spherical aberration to a light beam.
The optical system O2. Second, which imparts spherical aberration to the light flux
The optical system O2 includes a pair of lenses L for converging the light flux.
P1 and LP2 and a liquid cell LC arranged between these lenses LP1 and LP2. In the liquid cell LC, a liquid LQ such as water or oil is enclosed in a cell (encapsulation body) made of glass, plastic, or the like, and the distance d through which the parallel light flux L1 passes through the cell is arbitrarily and continuously changed. Is able to.

【0015】また、図1に示されるように、本実施形態
に係る微粒子操作装置においては、上記図4に示した従
来例と同様な観察光学系が設けられている。すなわち、
ホルダーHの下方に設置されている観察用光源LS2か
ら出射された観察用の照明光束L2は、照明光学系C1
を通過して微粒子Sの近傍一帯を照明した後、プラスの
球面収差SAを付与する集光光学系Oを構成する顕微鏡
対物レンズからなる光学系O2によって集光されるよう
になっている。
Further, as shown in FIG. 1, the fine particle manipulating apparatus according to this embodiment is provided with an observation optical system similar to that of the conventional example shown in FIG. That is,
The observation illumination light flux L2 emitted from the observation light source LS2 installed below the holder H is illuminated by the illumination optical system C1.
After illuminating the whole area in the vicinity of the fine particles S after passing through, the light is condensed by an optical system O2 including a microscope objective lens that constitutes a condensing optical system O that gives a positive spherical aberration SA.

【0016】また、観察用の照明光束L2は、光ピンセ
ット用光源LS1が出射する光ピンセット用の光束とは
波長の異なるものが選択されているため、光学系O2に
よって集光された後、ダイクロイックミラーDMを反射
されることなく通り抜け、像面IMGに結像されるよう
になっている。そして、この像面IMGに結像された微
粒子Sの拡大像を、CCDカメラ等の撮像手段Dや接眼
レンズEPを介して肉眼Eにより見ることにより、媒質
B中の微粒子Sを捕捉し操作する様子を観察することが
可能になる。
Further, since the illumination light flux L2 for observation has a wavelength different from that of the light flux for optical tweezers emitted from the light source LS1 for optical tweezers, it is condensed by the optical system O2 and then is dichroic. It passes through the mirror DM without being reflected and forms an image on the image plane IMG. Then, the magnified image of the fine particles S formed on the image plane IMG is observed by the naked eye E through the image pickup means D such as a CCD camera or the eyepiece EP, so that the fine particles S in the medium B are captured and manipulated. It becomes possible to observe the situation.

【0017】図2(a),(b)に、液体セルLCの具
体例の拡大図を示す。図2(a)は、液体セルLCの一
部分が蛇腹Jとなっており、その部分を伸縮させること
により、液体セルLCの長さdを変化させることができ
る。また、図2(b)は、2つの円筒状容器LC1,L
C2を円筒部が一部重なるように組み合わせてセルを構
成し、重なり部分xの幅を変えることにより液体セルL
Cの長さdを変化させることができる。重なり部分x
は、液体が漏れないようにほとんど隙間のない構成にす
るか、或いは2つの円筒状容器LC1,LC2の隙間に
高粘度の隙間封入剤を充填する。図2(a),(b)と
も伸縮を容易にするため、液体LQはセルいっぱいには
封入されておらず、セルの上部に空気が入っているが、
光束は常に液体LQの内部のみを通過できるよう、セル
は十分な大きを有し、かつ液体LQは十分に封入されて
いるものとする。このようにして、図1における平行光
束L1が液体セルLCを通過する距離を任意に変化させ
ることが可能となり、その結果、平行光束L1に対して
球面収差SAを任意に変化させることができる。
2A and 2B are enlarged views of a concrete example of the liquid cell LC. In FIG. 2A, a part of the liquid cell LC is a bellows J, and the length d of the liquid cell LC can be changed by expanding and contracting the part. Further, FIG. 2B shows two cylindrical containers LC1 and L1.
A cell is formed by combining C2 so that the cylindrical portions partially overlap, and the liquid cell L is changed by changing the width of the overlapping portion x.
The length d of C can be changed. Overlapping part x
Is configured to have almost no gap so that liquid does not leak, or a gap between the two cylindrical containers LC1 and LC2 is filled with a high-viscosity gap sealant. In order to facilitate expansion and contraction in both FIGS. 2 (a) and 2 (b), the liquid LQ is not enclosed in the cell, but air is present in the upper part of the cell.
It is assumed that the cell has a sufficiently large size and the liquid LQ is sufficiently sealed so that the light flux can always pass only inside the liquid LQ. In this way, the distance that the parallel light beam L1 in FIG. 1 passes through the liquid cell LC can be arbitrarily changed, and as a result, the spherical aberration SA can be arbitrarily changed with respect to the parallel light beam L1.

【0018】図1に示す第1光学系O1としては、通常
の顕微鏡対物レンズを用いることができる。この場合、
顕微鏡対物レンズの種類や個体差により、媒質Bにおけ
る深さが同一であっても発生する球面収差に差異が生
じ、その結果として試料(微粒子S)を捕捉する力が弱
くなる場合がある。このような場合でも、本微粒子操作
装置においては、発生させた円錐状の集光光束の光路中
に光路方向の長さを任意に変化させることが可能な液体
セルLCが設けられた集光光学系Oを有しており、第2
光学系O2の液体セルLCの長さ(集光光束の光路方向
の長さ)dを変化させることにより、微粒子及びそれを
取り巻く媒質を照明するトラップ用光束の高NA成分の
球面収差を連続的かつ大幅に変えることができるので、
対物レンズの違いによる球面収差分を補正し、使用する
対物レンズの種類や個体差によらず、微粒子Sの捕捉に
最適な球面収差を付与することができる。
A normal microscope objective lens can be used as the first optical system O1 shown in FIG. in this case,
Depending on the type and individual difference of the microscope objective lens, even if the depth in the medium B is the same, there occurs a difference in spherical aberration, and as a result, the force for capturing the sample (fine particles S) may be weak. Even in such a case, in the present fine particle manipulation device, the condensing optics provided with the liquid cell LC capable of arbitrarily changing the length in the optical path direction in the optical path of the generated conical condensed light flux. Has system O, second
By changing the length (length of the condensed light flux in the optical path direction) d of the liquid cell LC of the optical system O2, the spherical aberration of the high NA component of the trap light flux for illuminating the fine particles and the medium surrounding them is continuously changed. And because it can be changed significantly,
It is possible to correct the spherical aberration component due to the difference in the objective lens, and give the optimum spherical aberration for capturing the fine particles S regardless of the type of the objective lens used or the individual difference.

【0019】ここで、光束が比較的大きな角度成分をも
つ部分に液体セルを設けるようにし、また、液体セルに
封入する液体として屈折率の高いものを選ぶことによ
り、液体セルの長さ(厚さ)変化に対する球面収差の変
化量をより大きくすることができる。また、球面収差は
連続的に変えることができるため、本微粒子操作装置で
は、捕捉する試料(微粒子)がいかなる媒質深さ位置に
あっても、その試料を取り巻く媒質Bにより発生するマ
イナスの球面収差を良好に補正することができる。その
結果、捕捉する微粒子Sの媒質B内深さに応じて適切な
球面収差を集光光束に付与し、捕捉力の低下を防いで十
分な力で試料を捕捉・操作することが可能となる。
Here, the length (thickness) of the liquid cell is increased by providing a liquid cell in a portion where the light flux has a relatively large angle component and selecting a liquid having a high refractive index as the liquid to be sealed in the liquid cell. It is possible to further increase the amount of change in spherical aberration with respect to the change. Further, since the spherical aberration can be continuously changed, in the present fine particle manipulation device, even if the sample (fine particles) to be captured is at any medium depth position, the negative spherical aberration generated by the medium B surrounding the sample is obtained. Can be satisfactorily corrected. As a result, it becomes possible to impart appropriate spherical aberration to the condensed light flux in accordance with the depth of the fine particles S to be captured in the medium B, prevent the reduction of the capture power, and capture / manipulate the sample with sufficient force. .

【0020】なお、図1に示す微粒子操作装置(光ピン
セット)においては、第1光学系O1を観察光学系の拡
大レンズとして共通に用いているが、球面収差を持たせ
る第2光学系O2を観察光学系とは別の光路中に設けて
いるため、観察光学系において球面収差を補正する必要
はない。もし、球面収差を持たせる第2光学系O2を観
察光学系と共通化しているのであれば、観察光学系にお
いて球面収差を別途補正する必要が生じることになる。
そうしないと、観察像にも球面収差が付与されて像のコ
ントラストが低下し、良好な像が得られないからであ
る。但し、この場合にも微粒子Sをコントラスト良く観
察するためには、観察光学系に集光光束のピント位置を
補正する補正機構(非図示)を設けておくことが望まし
い。なぜなら、微粒子Sの大きさや材質、或いは微粒子
Sの光軸方向深さが異なったり、トラップ用集光光束に
おいて光学系O2の球面収差を変化させたりすると、微
粒子Sが保持される光軸方向位置がずれるからである。
In the fine particle manipulation device (optical tweezers) shown in FIG. 1, the first optical system O1 is commonly used as a magnifying lens of the observation optical system, but the second optical system O2 having a spherical aberration is used. Since it is provided in an optical path different from that of the observation optical system, it is not necessary to correct spherical aberration in the observation optical system. If the second optical system O2 having spherical aberration is shared with the observation optical system, it becomes necessary to separately correct the spherical aberration in the observation optical system.
If this is not done, spherical aberration is also imparted to the observed image, the contrast of the image is reduced, and a good image cannot be obtained. However, in this case as well, in order to observe the fine particles S with good contrast, it is desirable to provide the observation optical system with a correction mechanism (not shown) for correcting the focus position of the condensed light beam. This is because, if the size or material of the fine particles S, the depth of the fine particles S in the optical axis direction is different, or if the spherical aberration of the optical system O2 in the trapped condensed light flux is changed, the position of the fine particles S in the optical axis direction is held. This is because it is out of alignment.

【0021】このように、本微粒子操作装置において
は、微粒子Sを観察する観察光学系が、上記集光光学系
Oの一部又は全部を含んでなり、この集光光学系に、集
光光束の球面収差及びピント位置のいずれか一方或いは
両方を補正する補正機構が設けられているので、微粒子
Sの大きさや材質、或いは微粒子Sの光軸方向深さが異
なったり、集光光束の球面収差を変化させたりすること
により、微粒子Sが保持される光軸方向位置がずれた場
合であっても、微粒子をコントラスト良く観察すること
ができる。
As described above, in the present fine particle manipulation device, the observation optical system for observing the fine particles S includes a part or all of the above-mentioned focusing optical system O. Since a correction mechanism for correcting one or both of the spherical aberration and the focus position of the fine particles S is provided, the size and material of the fine particles S, the depth of the fine particles S in the optical axis direction, or the spherical aberration of the condensed light flux. Even if the position in the optical axis direction in which the fine particles S are held is deviated, the fine particles can be observed with good contrast by changing.

【0022】また、本発明に係る微粒子操作装置では、
集光光学系である対物レンズそのものに球面収差を付与
するのではなく、対物レンズに入射する前段階で光束に
任意の球面収差を付与することが可能なため、集光光学
系としてのこの対物レンズを観察光学系の結像レンズと
して共通に用いる場合にも、微粒子Sの観察像がぼやけ
てコントラストが低下するという問題が起こらない。
Further, in the fine particle manipulation device according to the present invention,
Since spherical aberration is not imparted to the objective lens itself, which is the condensing optical system, it is possible to impart arbitrary spherical aberration to the light beam before entering the objective lens. Even when the lens is commonly used as the imaging lens of the observation optical system, the problem that the observed image of the fine particles S is blurred and the contrast is not lowered does not occur.

【0023】なお、上記実施形態の観察光学系におい
て、コントラストの高い明瞭な観察像を得るためには、
例えば顕微鏡観察法における従来技術である暗視野照明
法や偏斜照明法等を用いて試料を照明すればよい。ま
た、同じく従来技術である位相差観察法や微分干渉観察
法を観察光学系に用いることにより、観察像のコントラ
ストを高めることも可能である。更に、近年広く使用さ
れるようになった共焦点顕微鏡や近接場顕微鏡(NSO
M)等の手法を使って、観察光学系を構成することも可
能である。
In order to obtain a clear observation image with high contrast in the observation optical system of the above embodiment,
For example, the sample may be illuminated by using a dark field illumination method, an oblique illumination method, or the like, which is a conventional technique in the microscope observation method. Further, it is also possible to increase the contrast of the observed image by using a phase difference observation method or a differential interference observation method, which are also conventional techniques, in the observation optical system. Furthermore, confocal microscopes and near-field microscopes (NSO
It is also possible to configure the observation optical system by using a method such as M).

【0024】また、上記実施形態においては、光ピンセ
ット用の集光光学系と観察光学系の光路を分割する手段
として、波長選択性のあるダイクロイックミラーDMを
用いているが、これは本発明の要旨に沿う範囲内で別の
手段を用いてもよい。例えば偏光板等を用いて光ピンセ
ット用の集光光学系と観察光学系の光束をそれぞれ異な
る偏光状態にし、ダイクロイックミラーDMの代わりに
偏光ビームスプリッタを用いて偏光分割してもよい。
In the above embodiment, the wavelength-selective dichroic mirror DM is used as a means for dividing the optical paths of the focusing optical system for optical tweezers and the observation optical system. Other means may be used within the scope of the gist. For example, the light beams of the converging optical system for optical tweezers and the observation optical system may be made to have different polarization states using a polarizing plate or the like, and the polarization beam splitter may be used instead of the dichroic mirror DM to perform polarization splitting.

【0025】また、上記実施形態において、光ピンセッ
ト用の光束や観察用の照明光束を微粒子Sへ導く手段と
して、レンズやダイクロイックミラー等からなる光学系
を示したが、実際は必ずしもこれらに限られるものでは
なく、例えば光ファイバを用いて光ピンセット用の光束
や観察用の照明光束を導いてもよい。この場合、更なる
装置の小型化が期待できる。
In the above embodiment, an optical system including a lens, a dichroic mirror and the like is shown as a means for guiding the light beam for optical tweezers and the illumination light beam for observation to the fine particles S, but the present invention is not limited to this. Instead, for example, an optical fiber may be used to guide the light flux for optical tweezers or the illumination light flux for observation. In this case, further miniaturization of the device can be expected.

【0026】また、上記実施形態においては、観察光学
系として像面IMGに結像した微粒子Sの拡大像を上方
から観察するよう図示したが、こうした方法の代わり
に、例えば倒立顕微鏡のように下方から観察する方法を
採用してもよい。
Further, in the above embodiment, the observation optical system is shown as observing the magnified image of the fine particles S formed on the image plane IMG from above, but instead of such a method, for example, a downward microscope such as an inverted microscope is used. The method of observing from may be adopted.

【0027】また、上記実施形態においては、光ピンセ
ット用の光束を上方からホルダーHに保持された媒質B
中の微粒子Sに照射しているように、この光ピンセット
用の光束の微粒子Sが存在する媒質Bへの入射方向は上
下方向いずれでもよい。そして、このことは、観察光学
系についても同様である。これら光ピンセット用の光束
及び観察用の照明光束の入射方向やその組み合わせは、
本発明の要旨に沿う範囲内で三次元的に自由に配置する
ことが可能である。
In the above embodiment, the medium B in which the holder H holds the light beam for optical tweezers from above
As the fine particles S therein are irradiated, the incident direction of the light flux for optical tweezers on the medium B in which the fine particles S are present may be either the vertical direction. This also applies to the observation optical system. The incident direction of the light flux for these optical tweezers and the illumination light flux for observation and the combination thereof are
It is possible to freely arrange three-dimensionally within a range in accordance with the gist of the present invention.

【0028】また、液体セルは、伸縮自在な封入体(容
器)内に液体を封入したものであれば、必ずしも上述の
構成を有していなくても良い。また、封入体内に封入さ
れる液体はジェル状であっても構わない。
Further, the liquid cell does not necessarily have the above-mentioned structure as long as the liquid is enclosed in an expandable container (container). The liquid sealed in the sealed body may be in the form of gel.

【0029】図3は本発明の第2の実施形態に係る微粒
子操作装置の原理的な概念図を示している。図3(a)
は装置の概略図であり、図3(b)は図3(a)に示さ
れる装置を構成するターレットのA方向矢視図である。
図3(a)において、光ピンセット用光源LS1からの
平行光束L11は、集光光学系Oを通過する間に球面収
差を付与され、なおかつピント位置を調整されて、最大
NA成分光が球面収差SAを持ち、かつ所定のピント位
置に集光するような集光光束L12となる。この球面収
差SAを持つ光束を用いて微粒子Sを捕捉する。
FIG. 3 shows a conceptual conceptual diagram of a particle manipulating apparatus according to a second embodiment of the present invention. Figure 3 (a)
3 is a schematic view of the apparatus, and FIG. 3B is a view of the turret constituting the apparatus shown in FIG.
In FIG. 3A, the parallel light flux L11 from the optical tweezers light source LS1 is given spherical aberration while passing through the condensing optical system O, and the focus position is adjusted so that the maximum NA component light has spherical aberration. The focused light flux L12 has SA and is focused at a predetermined focus position. The fine particles S are captured by using the light flux having the spherical aberration SA.

【0030】図3(a)において、集光光学系Oは、光
ピンセット用光源LS1からの光束を集光し、試料であ
る微粒子近傍に照射するための第1光学系O1と、この
光束の球面収差とピント位置を変化させるための光学系
第2O2とからなる。また、光束の球面収差とピント位
置を変化させるための第2光学系O2は、光ピンセット
用光源LS1からの平行光束L11を一旦点P’に集光
させ、再度広げるための一対のレンズLP1及びLP2
(これら2つのレンズLP1,LP2はともに正の屈折
力を持つ)と、これらレンズLP1,LP2の間に配置
された透明な平行平板PT1とからなる。このとき第1
光学系O1を通過した光束の集光点Pと上記集光点P’
とは互いに共役関係にある。
In FIG. 3A, the condensing optical system O condenses the light flux from the light source LS1 for optical tweezers and irradiates the first optical system O1 for irradiating the vicinity of the fine particles as the sample, and this light flux. It is composed of an optical system second O2 for changing the spherical aberration and the focus position. Further, the second optical system O2 for changing the spherical aberration and the focus position of the light flux temporarily condenses the parallel light flux L11 from the light source LS1 for optical tweezers at the point P ′, and a pair of lenses LP1 for expanding again. LP2
(Both of these two lenses LP1 and LP2 have positive refractive power) and a transparent parallel plate PT1 arranged between these lenses LP1 and LP2. At this time the first
Condensing point P of the light flux passing through the optical system O1 and the condensing point P ′
And are conjugate to each other.

【0031】図3(a)に示されるように、本実施形態
に係る微粒子操作装置においては、上記図4に示した従
来例と同様な観察光学系が設けられている。すなわち、
ホルダーHの下方に設置されている観察用光源LS2か
ら出射された観察用の照明光束L2は、照明光学系C1
を通過して微粒子Sの近傍一帯を照明した後、プラスの
球面収差SAを付与する集光光学系Oを構成する顕微鏡
対物レンズからなる光学系O2によって集光されるよう
になっている。
As shown in FIG. 3 (a), the fine particle operating apparatus according to this embodiment is provided with an observation optical system similar to that of the conventional example shown in FIG. That is,
The observation illumination light flux L2 emitted from the observation light source LS2 installed below the holder H is illuminated by the illumination optical system C1.
After illuminating the whole area in the vicinity of the fine particles S after passing through, the light is condensed by an optical system O2 including a microscope objective lens that constitutes a condensing optical system O that gives a positive spherical aberration SA.

【0032】また、観察用の照明光束L2は、光ピンセ
ット用光源LS1が出射する光ピンセット用の光束とは
波長の異なるものが選択されているため、光学系O2に
よって集光された後、ダイクロイックミラーDMを反射
されることなく通り抜け、像面IMGに結像されるよう
になっている。そして、この像面IMGに結像された微
粒子Sの拡大像を、CCDカメラ等の撮像手段Dや接眼
レンズEPを介して肉眼Eにより見ることにより、媒質
B中の微粒子Sを捕捉し操作する様子を観察することが
可能になる。
Further, since the illumination light flux L2 for observation has a wavelength different from that of the light flux for optical tweezers emitted from the light source LS1 for optical tweezers, after being condensed by the optical system O2, it is dichroic. It passes through the mirror DM without being reflected and forms an image on the image plane IMG. Then, the magnified image of the fine particles S formed on the image plane IMG is observed by the naked eye E through the image pickup means D such as a CCD camera or the eyepiece EP, so that the fine particles S in the medium B are captured and manipulated. It becomes possible to observe the situation.

【0033】更に、図3(a),(b)に示されるよう
に、上記平行平板PT1はターレットTに組み込まれて
おり、このターレットTを回転軸Ztのまわりに回転さ
せることによりターレットTに組み込まれている他の平
行平板PT2,PT3、すなわち平行平板PT1とは厚
さや屈折率などの特性がそれぞれ異なる他の平行平板P
T2,PT3と任意に入れ替え可能になっている。
Further, as shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b), the parallel flat plate PT1 is incorporated in a turret T, and the turret T is rotated by rotating the turret T around a rotation axis Zt. Another parallel plate P having different characteristics such as thickness and refractive index from the other built-in parallel plates PT2 and PT3, that is, the parallel plate PT1.
It can be arbitrarily replaced with T2 and PT3.

【0034】このため、光ピンセット用光源LS1から
の平行光束L11を発散させる第1光学系O1における
平行平板PT1を他の特性の異なる平行平板PT2,P
T3と任意に入れ替えることにより、第1光学系O1に
おける発散の程度を任意に変更し、ひいては集光光学系
Oにおいて付与される球面収差SAの大きさを調整し
て、微粒子Sの屈折率やトラップする光軸方向の深さ等
の条件に応じて、最適な球面収差SAを選択することが
可能になる。
Therefore, the parallel plate PT1 in the first optical system O1 for diverging the parallel light beam L11 from the light source LS1 for optical tweezers is replaced by the parallel plates PT2 and P2 having different characteristics.
By arbitrarily replacing with T3, the degree of divergence in the first optical system O1 is arbitrarily changed, and by extension, the magnitude of the spherical aberration SA imparted in the condensing optical system O is adjusted, and the refractive index of the fine particles S or It is possible to select the optimum spherical aberration SA according to conditions such as the depth in the optical axis direction to be trapped.

【0035】また、レンズLP2は光軸Lに沿って移動
可能(すなわち、レンズ間隔LP1,LP2が可変)と
なっており、この移動により光束の集光点Pの光軸方向
位置、すなわちピント位置を移動させることができる。
すなわち、集光光束L12の光路中に対向設置された、
正の屈折力を持つ2つのレンズLP1,LP2は集光光
束L12のピント位置を変更するピント位置変更機構を
構成している。なお、平行平板PT1〜PT3を入れ替
えることにより、集光点(共役集光点)P’は光軸方向
に若干移動し、ひいては集光点Pも移動してしまうが、
この移動分も、レンズLP2の移動によって補正可能で
ある。
The lens LP2 is movable along the optical axis L (that is, the lens spacings LP1 and LP2 are variable), and the movement of the focal point P of the light beam in the optical axis direction, that is, the focus position. Can be moved.
That is, they are installed opposite to each other in the optical path of the condensed light flux L12,
The two lenses LP1 and LP2 having a positive refractive power form a focus position changing mechanism that changes the focus position of the condensed light beam L12. By changing the parallel plates PT1 to PT3, the condensing point (conjugate condensing point) P ′ is slightly moved in the optical axis direction, and the condensing point P is also moved.
This amount of movement can also be corrected by moving the lens LP2.

【0036】このように図3(a),(b)に示される
微粒子操作装置においては、光ピンセット用光源LS1
からの平行光束L11を発散させる第1光学系O1、よ
り厳密にいえば相対する2つのレンズLP1,LP2の
間に配置された透明な薄い平行平板PT1がプラスの球
面収差SAを付与する球面収差発生手段として機能し、
この平行平板PT1を特性の異なる他の平行平板PT
2,PT3と任意に入れ替えることが可能なターレット
Tが球面収差変更機構として機能している。
As described above, in the fine particle operating device shown in FIGS. 3A and 3B, the light source LS1 for optical tweezers is used.
The first optical system O1 for diverging the parallel light flux L11 from the optical system, more strictly speaking, the transparent thin parallel flat plate PT1 arranged between the two lenses LP1 and LP2 facing each other, imparts a positive spherical aberration SA to the spherical aberration. Function as a means of generation,
This parallel plate PT1 is used as another parallel plate PT with different characteristics.
The turret T, which can be arbitrarily replaced with 2, PT3, functions as a spherical aberration changing mechanism.

【0037】すなわち、本微粒子操作装置における集光
光学系は、円錐状の集光光束L12の集光点Pと光学的
に共役な共役集光点P’を持ち、この共役集光点P’の
近傍に集光光束L12の球面収差を変更する球面収差変
更機構と、集光光束L12のピント位置を変更するピン
ト位置変更機構とを有している。このような構成では、
ピント位置変更機構により、集光光束L12のピント位
置を、捕捉した微粒子Sの観察像が観察光学系でコント
ラスト良く観察できる位置に移動させ、更に球面収差変
更機構により、このピント移動に伴う集光光束L12の
球面収差状態変化を抑え、微粒子Sの捕捉に最適な球面
収差状態を保つことが可能である。
That is, the condensing optical system in the present fine particle manipulation device has a conjugate condensing point P'which is optically conjugate with the condensing point P of the conical condensing light beam L12, and this conjugate condensing point P '. A spherical aberration changing mechanism for changing the spherical aberration of the condensed light beam L12 and a focus position changing mechanism for changing the focus position of the condensed light beam L12 are provided in the vicinity of. In such a configuration,
The focus position changing mechanism moves the focus position of the condensed light flux L12 to a position where the observation image of the captured fine particles S can be observed with high contrast in the observation optical system, and further, the spherical aberration changing mechanism moves the focus light accompanying the focus movement. It is possible to suppress the spherical aberration state change of the light flux L12 and maintain the spherical aberration state optimum for capturing the fine particles S.

【0038】従って、本微粒子操作装置においては、集
光光学系Oを通過する間に、平行光束L11には上記球
面収差変更機構により所定の球面収差SAが付与され、
かつこの球面収差変更機構とは独立に調整可能なピント
位置変更機構により所定のピント調整が行われる。すな
わち、集光光束L12の球面収差と光軸方向のピント位
置とを任意かつ独立に変更することができる。その結
果、シャーレやスライドグラスなどのホルダーH内に保
持された媒質B中の微粒子Sは、所定の球面収差SAを
付与された円錐状の集光光束L12によって強い捕捉力
で安定的に捕捉・操作され、更にその捕捉位置は観察光
学系のピント位置に合わせられるため、観察光学系にて
良好なコントラストで観察することが可能となる。
Therefore, in the present fine particle operating device, a predetermined spherical aberration SA is given to the parallel light beam L11 by the spherical aberration changing mechanism while passing through the condensing optical system O,
Further, a predetermined focus adjustment is performed by a focus position changing mechanism that can be adjusted independently of this spherical aberration changing mechanism. That is, the spherical aberration of the condensed light beam L12 and the focus position in the optical axis direction can be changed arbitrarily and independently. As a result, the fine particles S in the medium B held in the holder H such as a petri dish or a slide glass are stably captured with a strong capturing force by the conical condensing light flux L12 provided with a predetermined spherical aberration SA. Since it is operated and the capturing position is adjusted to the focus position of the observation optical system, it is possible to observe with a good contrast in the observation optical system.

【0039】なお、本実施形態においては、レンズLP
1及びLP2として正の屈折力を持つ単レンズを示した
が、本発明はこれに限定されるものではなく、当業者が
実施するに容易な範囲内において装置の構成を変更可能
である。例えば、レンズLP1及びLP2は単レンズで
はなく、レンズ群であってもよい。また、レンズLP1
が負レンズでレンズLP2が正レンズ、或いはその逆で
あってもよい。その場合は集光点P’が虚像となる。
In this embodiment, the lens LP
Although a single lens having a positive refractive power is shown as 1 and LP2, the present invention is not limited to this, and the configuration of the device can be changed within a range that can be easily implemented by those skilled in the art. For example, the lenses LP1 and LP2 may be a lens group instead of a single lens. Also, the lens LP1
May be a negative lens and the lens LP2 may be a positive lens, or vice versa. In that case, the condensing point P'becomes a virtual image.

【0040】また更に、本実施形態においては、光束に
任意の球面収差を与えるための機構として、平行平板と
ターレットを用いたが、これは例えば平行平板の代わり
に回折光学素子であってもよく、また、レンズLP1或
いはLP2を複数のレンズ群から構成してその一部の空
気間隔を変えることにより同等の機能を持たせるように
してもよい。
Furthermore, in this embodiment, a parallel plate and a turret are used as a mechanism for giving an arbitrary spherical aberration to a light beam, but this may be a diffractive optical element instead of a parallel plate, for example. Alternatively, the lens LP1 or LP2 may be composed of a plurality of lens groups, and the same function may be provided by changing the air space of a part thereof.

【0041】更に本実施形態においては、集光光束L1
2の球面収差を変更する球面収差変更機構と、集光光束
L12のピント位置を変更するピント位置変更機構をひ
とつの光学系(第2光学系O2)として説明したが、こ
れは図3(a)において光ピンセット用光源LS1から
ダイクロイックミラーDMまでの間に配置されればよい
のであって、例えば集光点P’のほかにもうひとつの集
光点P”を設け、一方で球面収差を補正し(一方に球面
収差変更機構を設け)、もう一方でピント位置を補正す
る(もう一方のピント位置変更機構を設ける)ようにし
てもよい。
Further, in the present embodiment, the condensed light flux L1
The spherical aberration changing mechanism for changing the spherical aberration of No. 2 and the focus position changing mechanism for changing the focus position of the condensed light flux L12 have been described as one optical system (second optical system O2). ), It may be arranged between the light source LS1 for optical tweezers and the dichroic mirror DM. For example, another condensing point P ″ is provided in addition to the condensing point P ′, while spherical aberration is corrected. Alternatively, the spherical aberration changing mechanism may be provided on one side, and the focus position may be corrected on the other side (the other focus position changing mechanism is provided).

【0042】ここで、観察用光源LS2から像面IMG
に至る観察光学系は、プラスの球面収差SAを付与する
集光光学系Oの一部をなす顕微鏡対物レンズからなる光
学系O2を共有しているものの、直接的に球面収差SA
を付与する(発生させる)球面収差発生手段としての平
行平板PT1を共有していないため、この観察光学系に
おいては球面収差を補正する必要はない。
From the observation light source LS2, the image plane IMG
Although the observing optical system up to (1) shares the optical system O2 including the microscope objective lens forming a part of the condensing optical system O that gives the positive spherical aberration SA, the spherical aberration SA is directly
Since the parallel plate PT1 as a spherical aberration generating means for giving (generating) is not shared, it is not necessary to correct the spherical aberration in this observation optical system.

【0043】なお、本実施形態に示した観察光学系にお
いて、コントラストの高い明瞭な観察像を得るために
は、例えば顕微鏡観察法における従来技術である暗視野
照明法や偏斜照明法等を用いて試料を照明すればよい。
また、同じく従来技術である位相差観察法や微分干渉観
察法を観察光学系に用いることにより、観察像のコント
ラストを高めることも可能である。更に、近年広く使用
されるようになった共焦点顕微鏡や近接場顕微鏡(NS
OM)等の手法を使って、観察光学系を構成することも
可能である。
In the observation optical system shown in the present embodiment, in order to obtain a clear observation image with high contrast, for example, the dark field illumination method or the oblique illumination method which is a conventional technique in the microscope observation method is used. The sample may be illuminated with light.
Further, it is also possible to increase the contrast of the observed image by using a phase difference observation method or a differential interference observation method, which are also conventional techniques, in the observation optical system. Furthermore, confocal microscopes and near-field microscopes (NS) that have become widely used in recent years
It is also possible to configure the observation optical system by using a method such as OM).

【0044】また、本実施形態においては、光ピンセッ
ト用の集光光学系と観察光学系の光路を分割する手段と
して、波長選択性のあるダイクロイックミラーDMを用
いているが、これは本発明の要旨に沿う範囲内で別の手
段を用いてもよい。例えば偏光板を用いて光ピンセット
用の集光光学系と観察光学系の光束をそれぞれ異なる偏
光状態にし、ダイクロイックミラーDMの代わりに偏光
ビームスプリッタを用いて偏光分割してもよい。
Further, in the present embodiment, a wavelength-selective dichroic mirror DM is used as a means for dividing the optical paths of the focusing optical system for optical tweezers and the observation optical system. Other means may be used within the scope of the gist. For example, a polarizing plate may be used to make the light fluxes of the converging optical system for optical tweezers and the observation optical system different from each other, and a polarization beam splitter may be used in place of the dichroic mirror DM for polarization splitting.

【0045】また、本実施形態においては、光ピンセッ
ト用の光束や観察用の照明光束を微粒子Sへ導く手段と
して、主にレンズや平行平板やダイクロイックミラーや
回折光学素子などを用いている場合を説明したが、実際
は必ずしもこれらに限られるものではない。
In the present embodiment, a lens, a parallel plate, a dichroic mirror, a diffractive optical element or the like is mainly used as a means for guiding the light beam for optical tweezers and the illumination light beam for observation to the fine particles S. Although explained, in practice, it is not necessarily limited to these.

【0046】また、本実施形態においては、観察光学系
として像面IMGに結像した微粒子Sの拡大像を上方か
ら観察するよう図示したが、こうした方法の代わりに、
例えば倒立顕微鏡のように下方から観察する方法を採用
してもよい。
Further, in the present embodiment, the observation optical system is shown as observing an enlarged image of the fine particles S formed on the image plane IMG from above, but instead of such a method,
For example, a method of observing from below such as an inverted microscope may be adopted.

【0047】また、本実施形態においては、光ピンセッ
ト用の光束を上方からホルダーHに保持された媒質B中
の微粒子Sに照射しているが、この光ピンセット用の光
束の微粒子Sが存在する媒質Bへの入射方向は上下方向
いずれでもよい。そして、このことは、観察光学系につ
いても同様である。これら光ピンセット用の光束及び観
察用の照明光束の入射方向やその組み合わせは、本発明
の要旨に沿う範囲内で三次元的に自由に配置することが
可能である。
Further, in the present embodiment, the light beam for optical tweezers is applied to the fine particles S in the medium B held by the holder H from above, but the fine particles S of the light beam for optical tweezers are present. The direction of incidence on the medium B may be either up or down. This also applies to the observation optical system. The incident directions of the light flux for the optical tweezers and the illumination light flux for observation and the combination thereof can be freely arranged three-dimensionally within the range according to the gist of the present invention.

【0048】また、本実施形態においては、集光光束L
12の球面収差を変更する球面収差機構として複数の平
行平板PT1,PT2,PT3を任意に入れ替えること
が可能なターレットTを示したが、これは始めの実施形
態において示した液体セルに入れ替えることもできる。
Further, in this embodiment, the condensed light flux L
As the spherical aberration mechanism for changing the spherical aberration of No. 12, the turret T in which a plurality of parallel flat plates PT1, PT2, PT3 can be arbitrarily replaced is shown, but this may be replaced with the liquid cell shown in the first embodiment. it can.

【0049】また、集光光束の光路中に液体セルを設け
て構成した前述の集光光学系は、上述の微粒子操作装置
に限られず、集光光束に連続的かつ任意の球面収差を発
生させることが必要な他の光学装置にも使用することが
可能である。
Further, the above-mentioned condensing optical system constructed by providing a liquid cell in the optical path of the condensed light flux is not limited to the above-mentioned fine particle manipulating device, and continuously and arbitrarily generates spherical aberration in the condensed light flux. It can also be used for other optical devices that require it.

【0050】[0050]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る集光
光学系によれば、発生させた円錐状の集光光束の光路中
に光路方向の長さを任意に変化させることが可能な液体
セルを有しているので、この液体セルの光路方向長さを
変化させることにより、液体セル中を通る集光光束に連
続的かつ任意の球面収差を発生させることができる。
As described above, according to the condensing optical system of the present invention, it is possible to arbitrarily change the length in the optical path direction in the optical path of the generated conical condensed light flux. Since the liquid cell is provided, it is possible to continuously and arbitrarily generate spherical aberration in the condensed light flux passing through the liquid cell by changing the length of the liquid cell in the optical path direction.

【0051】また、本発明に係る微粒子操作装置によれ
ば、捕捉する微粒子の媒質内深さに応じて適切な球面収
差を集光光束に付与し、捕捉力の低下を防いで十分な力
で試料を捕捉・操作することが可能となる。
Further, according to the fine particle manipulating device of the present invention, appropriate spherical aberration is imparted to the condensed light flux in accordance with the depth of the fine particles to be trapped in the medium, and the lowering of the trapping force can be prevented with sufficient force. It becomes possible to capture and manipulate the sample.

【0052】また、もう一つの本発明に係る微粒子操作
装置によれば、集光光束の球面収差と光軸方向のピント
位置とを任意かつ独立に変更することが可能になってい
るので、シャーレやスライドグラスなどのホルダー内に
保持された媒質中の微粒子を、所定の球面収差を付与さ
れた円錐状の集光光束によって強い捕捉力で安定的に捕
捉・操作することができるとともに、その捕捉位置を観
察光学系のピント位置に合わせることができるため、媒
質中の微粒子を観察光学系にて良好なコントラストで観
察することが可能となる。
Further, according to the fine particle manipulating device of another aspect of the present invention, the spherical aberration of the condensed light beam and the focus position in the optical axis direction can be arbitrarily and independently changed. Fine particles in the medium held in a holder such as a glass or a slide glass can be stably captured and manipulated with a strong capturing force by a conical focused light flux with given spherical aberration, and the capture Since the position can be adjusted to the focus position of the observation optical system, the fine particles in the medium can be observed with a good contrast in the observation optical system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の集光光学系及びこの集光光学系を備え
てなる本発明の微粒子操作装置の概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a condensing optical system of the present invention and a fine particle manipulation device of the present invention including the condensing optical system.

【図2】液体セルの具体的構成を示す図であり、(a)
は液体セルの一部分が蛇腹となっているタイプ、(b)
は、2つの円筒状容器の一部が重なるように組み合わせ
てなるタイプである。
FIG. 2 is a diagram showing a specific configuration of a liquid cell, (a)
Is a type in which part of the liquid cell is a bellows, (b)
Is a type in which two cylindrical containers are combined so as to partially overlap each other.

【図3】本発明のもう一つの実施形態に係る微粒子操作
装置の原理的な概念図である。
FIG. 3 is a principle conceptual diagram of a particle manipulating apparatus according to another embodiment of the present invention.

【図4】従来の光ピンセットの構成を示す概略図であ
る。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional optical tweezers.

【図5】図4の一部拡大図であって、光ピンセットによ
る微粒子の操作を説明するための図である。
FIG. 5 is a partially enlarged view of FIG. 4 and is a view for explaining the operation of fine particles by optical tweezers.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

LS1 光ピンセット用光源 LS2 観察用光源 O 集光光学系 O1 第1光学系 O2 第2光学系 DM ダイクロイックミラー P 集光点 B 媒質 H ホルダー S 微粒子 LP1,LP2 レンズ LC 液体セル LQ 液体 IMG 像面 Light source for LS1 optical tweezers LS2 Observation light source O Condensing optical system O1 first optical system O2 second optical system DM dichroic mirror P Focus point B medium H holder S fine particles LP1, LP2 lens LC liquid cell LQ liquid IMG image plane

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) // C12M 1/00 C12M 1/00 A ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) // C12M 1/00 C12M 1/00 A

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 円錐状の集光光束を発生させる集光光学
系において、 前記集光光束の光路中に前記光路方向の長さを任意に変
化させることが可能な液体セルを設け、前記液体セルの
前記光路方向長さを変化させることにより、前記液体セ
ル中を通る前記集光光束に連続的かつ任意の球面収差を
発生させるようにしたことを特徴とする集光光学系。
1. A condensing optical system for generating a conical condensed light beam, wherein a liquid cell capable of arbitrarily changing a length in the optical path direction is provided in an optical path of the condensed light beam, A condensing optical system characterized in that continuous and arbitrary spherical aberration is generated in the condensed light flux passing through the liquid cell by changing the length of the cell in the optical path direction.
【請求項2】 円錐状の集光光束を発生させる集光光学
系を有し、前記集光光束を媒質中の微粒子に照射するこ
とにより前記微粒子を捕捉・操作する微粒子操作装置に
おいて、 請求項1記載の集光光学系を備え、前記集光光束に連続
的かつ任意の球面収差を発生させて前記微粒子を捕捉・
操作することを特徴とする微粒子操作装置。
2. A particle manipulating apparatus having a condensing optical system for generating a conical condensing light beam, and irradiating the condensing light beam to particles in a medium to capture and manipulate the particles. 1. The condensing optical system according to 1 is provided to continuously generate an arbitrary spherical aberration in the condensed light flux to capture the fine particles.
A fine particle operation device characterized by being operated.
【請求項3】 前記微粒子を観察する観察光学系が前記
集光光学系の一部を含んでなり、前記観察光学系に、前
記集光光束のピント位置を補正する補正機構を設けたこ
とを特徴とする請求項2記載の微粒子操作装置。
3. An observation optical system for observing the fine particles includes a part of the condensing optical system, and the observation optical system is provided with a correction mechanism for correcting a focus position of the condensed light flux. The particle manipulation device according to claim 2, which is characterized in that.
【請求項4】 円錐状の集光光束を発生させる集光光学
系を有し、前記集光光束を媒質中の微粒子に照射するこ
とにより前記微粒子を捕捉・操作する微粒子操作装置に
おいて、 前記集光光束の球面収差と光軸方向のピント位置とを任
意かつ独立に変更できるようにしたことを特徴とする微
粒子操作装置。
4. A particle manipulating apparatus which has a condensing optical system for generating a conical condensing light beam, and irradiates the condensing light beam to fine particles in a medium to capture and manipulate the fine particles. A fine particle manipulation device characterized in that a spherical aberration of a light beam and a focus position in an optical axis direction can be arbitrarily and independently changed.
【請求項5】 前記集光光学系は前記集光光束の集光点
と光学的に共役な共役集光点を有し、この共役集光点の
近傍に前記集光光束の球面収差を変更する球面収差変更
機構と、前記集光光束のピント位置を変更するピント位
置変更機構とが設けられたことを特徴とする請求項4記
載の微粒子操作装置。
5. The converging optical system has a conjugate converging point optically conjugate with a converging point of the converging light beam, and spherical aberration of the converging light beam is changed in the vicinity of the conjugate converging point. 5. The fine particle manipulation device according to claim 4, further comprising a spherical aberration changing mechanism for changing the focus position and a focus position changing mechanism for changing the focus position of the condensed light flux.
【請求項6】 前記ピント位置変更機構は、前記集光光
束の光路中に対向設置された正の屈折力を持つレンズ或
いはレンズ群からなり、これらレンズ或いはレンズ群の
間隔を変えて前記集光光束のピント位置を変更するよう
になっていることを特徴とする請求項4又は5記載の微
粒子操作装置。
6. The focus position changing mechanism is composed of a lens or a lens group having a positive refracting power, which is installed to face the optical path of the condensed light flux so as to face each other. 6. The particle manipulation device according to claim 4, wherein the focus position of the light flux is changed.
【請求項7】 前記ピント位置変更機構は、前記集光光
束の光路中に対向設置された正の屈折力を持つレンズ或
いはレンズ群と、負の屈折力を持つレンズ或いはレンズ
群とからなり、これらレンズ或いはレンズ群の間隔を変
えて前記集光光束のピント位置を変更するようになって
いることを特徴とする請求項4又は5記載の微粒子操作
装置。
7. The focus position changing mechanism includes a lens or a lens group having a positive refractive power and a lens or a lens group having a negative refractive power, which are installed to face each other in the optical path of the condensed light flux. 6. The fine particle operating device according to claim 4, wherein the focus position of the condensed light flux is changed by changing the distance between these lenses or lens groups.
【請求項8】 前記球面収差変更機構は、前記集光光束
の光路中に前記光路方向の長さを任意に変化させること
が可能な液体セルを有し、前記液体セルの前記光路方向
長さを変化させることにより、前記液体セル中を通る前
記集光光束に連続的かつ任意の球面収差を発生させるよ
うになっていることを特徴とする請求項4〜7のいずれ
かに記載の微粒子操作装置。
8. The spherical aberration changing mechanism has a liquid cell capable of arbitrarily changing a length in the optical path direction in an optical path of the condensed light flux, and a length of the liquid cell in the optical path direction. 8. The fine particle manipulation according to claim 4, wherein the spherical flux is continuously and arbitrarily generated in the condensed light flux passing through the liquid cell by changing the value of. apparatus.
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WO2005106558A1 (en) * 2004-04-28 2005-11-10 Olympus Corporation Laser focusing optical system

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