專利名稱：隔離或囚禁小的微粒物質(zhì)的流體聚焦透鏡的制作方法
隔離或囚禁小的微粒物質(zhì)的流體聚焦透鏡
本發(fā)明涉及光學(xué)鑷子系統(tǒng)和用于操作該系統(tǒng)的方法。尤其是，本發(fā)明 致力于包括在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中的具有可變形光學(xué)元件的束操縱部件。
在例如生物學(xué)、物理學(xué)、納米制造中發(fā)現(xiàn)了光學(xué)鑷子的應(yīng)用，并且作 為用于小型化的機(jī)器的光學(xué)致動(dòng)器。
光學(xué)鑷子的原理是基于利用輻射壓力的力。強(qiáng)聚焦的激光束能夠捕捉
和抓住從nm到pm的大小范圍中(介電材料)的粒子。此技術(shù)使得研究和 操縱如原子、分子(甚至大)和小的介電球的粒子成為可能。光學(xué)鑷子的 基本性質(zhì)是粒子在光強(qiáng)分布中成為被囚禁的。光以朝向強(qiáng)度達(dá)到其最大值 的點(diǎn)的梯度強(qiáng)度分布在粒子上施加力。結(jié)果，例如，粒子能夠被囚禁在光 束的焦點(diǎn)中。改變焦點(diǎn)的位置也改變粒子在空間的位置。使用馬達(dá)或壓電 致動(dòng)器用于移置透鏡或傾斜反射鏡的機(jī)械裝置是已知的。這些機(jī)械裝置的 缺點(diǎn)是它們復(fù)雜并且需要易受磨損影響的機(jī)械地活動(dòng)的部分。此外，每個(gè) 附加的自由度通常需要專用的致動(dòng)器并且可能地還需要諸如透鏡或反射鏡 的附加的光學(xué)元件。因此，具有三個(gè)平移和一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的范例光學(xué)鑷 子系統(tǒng)變得復(fù)雜和相當(dāng)昂貴的。
本發(fā)明的目的是提供光學(xué)鑷子中用于操縱激光束的機(jī)械裝置的可選例。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了用于在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的束操縱部 件，該束操縱部件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，其可控制地可變形，以響應(yīng)于 來自該光學(xué)鑷子系統(tǒng)的信號(hào)而作用在激光束上。
本發(fā)明的此方面的束操縱部件提供光學(xué)鑷子系統(tǒng)中的束控制。其有能 力承擔(dān)光學(xué)鑷子系統(tǒng)中當(dāng)前使用的基本上機(jī)械的束操縱裝置的功能性。同 時(shí)，本發(fā)明的束操縱部件不易受到上述機(jī)械裝置的缺陷的影響。由于其不 同的配置，諸如例如機(jī)械公差，其甚至免除了一個(gè)或多個(gè)缺陷。束例如是
光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的用于囚禁粒子、細(xì)菌等的激光束。由于光學(xué)元件的 變形，束操縱可以比先前的布置中更靈活。其也提供了減小束的路徑中的 光學(xué)元件的數(shù)量的機(jī)會(huì)?？梢院喜⒅两衩總€(gè)需要區(qū)別的光學(xué)元件的數(shù)個(gè)功 能。
束操縱應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)束的作用，通過它，當(dāng)束通過束操縱部件時(shí)，一 個(gè)或多個(gè)束的性質(zhì)能夠被改變。尤其是，束的幾何性質(zhì)易于由束操縱部件 改變，諸如束方向、其會(huì)聚、其橫截面的形狀，僅舉數(shù)例。
光學(xué)元件描繪直接作用在束上的部件。其可以是折射光學(xué)元件或反射 光學(xué)元件。光學(xué)元件還可以呈現(xiàn)衍射效應(yīng)。光學(xué)元件是可變形的，使得能 夠改變光學(xué)元件的內(nèi)部空間材料分布。諸如折射或反射的光學(xué)效應(yīng)典型地 發(fā)生在傳播介質(zhì)突然地或逐漸地改變的位置。從而，改變光學(xué)元件的材料 分布改變光學(xué)元件的光學(xué)行為。使用的光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)是其材料分布是可 控制的。通過利用合適的信號(hào)驅(qū)動(dòng)束操縱部件和包括的光學(xué)元件，光學(xué)元 件發(fā)生變形，其依次改變束操縱部件的光學(xué)行為。換句話說，束操縱部件 實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)信號(hào)到光學(xué)行為的映射。用于束操縱部件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來自光學(xué) 鑷子系統(tǒng)。從而，提供光學(xué)鑷子系統(tǒng)來控制束操縱動(dòng)作。在此上下文中， 應(yīng)當(dāng)注意，生成驅(qū)動(dòng)信號(hào)的似乎獨(dú)立的控制器也應(yīng)當(dāng)理解為光學(xué)鑷子系統(tǒng) 的部分。原因是控制例如粒子的位置是光學(xué)鑷子系統(tǒng)的基本功能。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，束操縱部件還包括腔室，其包含第一介質(zhì)、 第二介質(zhì)、所述第一介質(zhì)和所述第二介質(zhì)之間的截面、以及界面控制裝置， 其中所述第一介質(zhì)和所述第二介質(zhì)中的一個(gè)用作所述光學(xué)元件。
腔室典型地具有恒定的體積。第一介質(zhì)和第二介質(zhì)的體積也典型地也 是恒定的。第一和第二介質(zhì)例如是具有不同光學(xué)性質(zhì)的兩種不相溶的流體。 如果兩種流體具有幾乎相同的密度，則重力對(duì)束操縱部件的操作沒有實(shí)質(zhì) 的影響。在兩種介質(zhì)之間存在界面，其形狀依賴于數(shù)個(gè)因素，諸如表面張 力、可濕性、或兩種介質(zhì)的每一種的毛細(xì)效應(yīng)。能夠通過界面控制裝置影 響界面是有利的，導(dǎo)致界面的例如改變的形狀、位置、或方向。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，界面由一個(gè)或多個(gè)邊緣段劃定界限，并且界 面控制裝置布置為各別地作用在所述邊緣段上。
在界面由單個(gè)邊緣段劃定界限的情況下，界面以均勻的方式從所有側(cè)作用。用于具有單個(gè)邊緣段的該布置的范例是圓形界面或橢圓形界面。當(dāng) 僅存在單個(gè)邊緣時(shí)，能夠預(yù)期相對(duì)于光學(xué)元件的重力中心的光學(xué)元件的基 本對(duì)稱的變形。在更普遍的多個(gè)邊緣段的情況下，其中每個(gè)段由界面控制 裝置各別地控制，能夠獲得界面的更靈活的配置。尤其是，界面的不對(duì)稱 的形狀也是可能的。對(duì)稱的概念可以指旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(例如相對(duì)于光學(xué)元件閑 置時(shí)的光軸)，或鏡面對(duì)稱，依賴于界面形狀。各別地控制邊緣段的能力在 垂直于光學(xué)元件的閑置狀態(tài)光軸的平面中提供附加的自由度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，束操縱部件包括電潤濕透鏡，并且界面控制 裝置包括電極，布置為提供單獨(dú)的電壓給所述邊緣段的每一個(gè)。
一個(gè)電潤濕透鏡利用當(dāng)暴露于電場時(shí)導(dǎo)電流體和不導(dǎo)電流體反應(yīng)不同 的事實(shí)。尤其是，由于腔室壁表面的改變的可濕性，與腔室的壁接觸的表
面往往對(duì)施加的電場起反應(yīng)。所需的電場由是界面控制裝置的部分的電極 產(chǎn)生。除對(duì)應(yīng)于一個(gè)或多個(gè)邊緣段的一個(gè)或多個(gè)電極外，提供接地電極作 為公共電接地。此接地電極到邊緣段電極的每一個(gè)可以具有相同的距離。 其甚至可以與導(dǎo)電流體接觸。在每個(gè)具有不同電勢(shì)的數(shù)個(gè)電極的情況下， 得到的電場在電極之間呈現(xiàn)過渡。典型地，期望在不同的邊緣段之間平滑 地過渡。通過保持電極小并且在兩相鄰電極之間提供電力耐久路徑能夠?qū)?現(xiàn)這。依賴于此路徑的電阻，電流會(huì)從一個(gè)電極流動(dòng)到另一個(gè)電極，這沿 路徑引起電壓降。如果為了獲得特別的界面形狀而不期望平滑的過渡，則 電極基本彼此相鄰地放置，它們之間僅有小的絕緣以避免漏電流和打火花。 根據(jù)本申請(qǐng)的另一方面，光學(xué)元件呈現(xiàn)光軸并且相對(duì)于光軸是非對(duì)稱 地可變形的，并且界面控制裝置布置為以隨時(shí)間變化的方式非對(duì)稱地作用 在邊緣段上。
相對(duì)于光軸非對(duì)稱地可變形的光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)是，以此方式束可以改 變其橫截面形狀。如果束被聚焦，則光學(xué)元件的非對(duì)稱的變形也導(dǎo)致非對(duì) 稱的焦點(diǎn)。與界面控制裝置在邊緣段上的隨時(shí)間變化的作用組合，能夠繞 束軸旋轉(zhuǎn)非對(duì)稱的焦點(diǎn)。由于繞束軸的非對(duì)稱的焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，在束的焦點(diǎn)處 囚禁的粒子經(jīng)歷扭矩。因此，優(yōu)點(diǎn)是通過激光束，能夠引起粒子旋轉(zhuǎn)。為 達(dá)此目的，可以以圓形模式制動(dòng)電極段。此效果難以通過全機(jī)械
(all-mechanical)束操縱裝置實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹T如變形透鏡(沿兩個(gè)主軸方向不
同的透鏡曲率)的特別的透鏡必須通過例如電馬達(dá)的方式繞光軸旋轉(zhuǎn)。光 學(xué)元件的光軸規(guī)定為光學(xué)元件閑置的情形，即沒有電極施加電場。實(shí)際上， 光學(xué)元件的真實(shí)的光軸是可變化的。此外，光學(xué)元件的光軸可以呈現(xiàn)彎曲， 表示光軸的傳播方向由光學(xué)元件改變。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，界面控制裝置布置為以周期時(shí)間模式作用在 界面上。
提供周期時(shí)間模式的優(yōu)點(diǎn)是，與通過旋轉(zhuǎn)激光束的非對(duì)稱焦點(diǎn)而施加 扭矩于粒子組合，能夠以永久方式提供扭矩。這能夠用于在多種應(yīng)用中操 作小型化的旋轉(zhuǎn)機(jī)器，諸如泵、閥、離心機(jī)等。周期時(shí)間模式還容許激光 束的焦點(diǎn)的振蕩運(yùn)動(dòng)。在包括數(shù)個(gè)位置的來回旅程上逮捕諸如粒子、細(xì)菌 等的樣品也是可能的。在每個(gè)位置，樣品經(jīng)歷特定的測(cè)試，例如測(cè)量樣品 對(duì)某種物質(zhì)的反應(yīng)。光學(xué)鑷子系統(tǒng)的測(cè)量納牛和Kl牛范圍中的力的能力可 以用于測(cè)量樣品和給定物質(zhì)之間的吸引力。本發(fā)明的束操縱部件可以用于 在樣品載體的第一位置處采集樣品，將它運(yùn)輸?shù)蕉鄠€(gè)測(cè)試位置，并且最終 將它運(yùn)輸?shù)诫x開位置。其后，焦點(diǎn)回到第一位置?？梢酝ㄟ^短暫地關(guān)斷和 通過激光束來實(shí)現(xiàn)樣品的抓住和釋放?？梢栽O(shè)想其它的可選例，諸如移置 樣品載體下的焦點(diǎn)，使得樣品到達(dá)樣品載體上。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，光學(xué)鑷子系統(tǒng)包括如上述的束操縱部件。 光學(xué)鑷子系統(tǒng)從束操縱部件的改變激光束的方向和焦距而無需機(jī)械元 件的能力受益。束操縱部件可以執(zhí)行光學(xué)鑷子系統(tǒng)中所需的所有基本束控
制功能。調(diào)整焦距和在x-y平面中移動(dòng)焦點(diǎn)在這些基本功能中，x-y平面是 基本垂直于光學(xué)鑷子系統(tǒng)的物鏡的光軸的平面。然而，某些功能仍然由機(jī) 械元件執(zhí)行。此外，可以預(yù)期使用根據(jù)本發(fā)明的兩個(gè)或更多個(gè)束操縱部件， 每個(gè)承擔(dān)特定的功能。可能的功能分開可以是一個(gè)束操縱部件提供焦距調(diào) 整，第二束操縱部件承擔(dān)x-y平面中的偏轉(zhuǎn)，而第三束操縱部件承擔(dān)使得焦 點(diǎn)不對(duì)稱并隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)它的功能。提出的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的另一優(yōu)點(diǎn)是束操 縱部件比已知的機(jī)械系統(tǒng)較不容易受到磨損。
根據(jù)本發(fā)明的一方面， 一種操縱光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束的方法，光學(xué) 鑷子系統(tǒng)包括可控制地可變形的光學(xué)元件，該方法包括步驟
-接收用于所述激光束的操縱的設(shè)置點(diǎn)信號(hào)；
-通過映射該設(shè)置點(diǎn)到該驅(qū)動(dòng)信號(hào)的函數(shù)來計(jì)算用于所述光學(xué)元件的至
少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及
-利用來自該光學(xué)鑷子系統(tǒng)的該信號(hào)驅(qū)動(dòng)該光學(xué)元件。 提出的方法的優(yōu)點(diǎn)是其容許控制可控制地可變形的光學(xué)元件。該控制 可以提供在開環(huán)(即無反饋)或閉環(huán)(即有反饋)中。在多數(shù)情況下，設(shè) 置點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)于用戶希望實(shí)現(xiàn)的激光束的參數(shù)(例如激光束的方向、激光 束的焦距、激光束的對(duì)稱/不對(duì)稱)。可變形光學(xué)元件是用于將設(shè)置點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn) 變?yōu)閷?duì)應(yīng)的效應(yīng)的部件中的一個(gè)。同樣，光學(xué)元件具有給定的傳遞函數(shù)， 映射輸入信號(hào)到輸出效應(yīng)。在此范例中，設(shè)置點(diǎn)信號(hào)(或從設(shè)置點(diǎn)推得的 信號(hào))用作用于可變形光學(xué)元件的輸入。用于光學(xué)元件的輸入也可以視作 光學(xué)元件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。光學(xué)元件的輸出效應(yīng)可以視作在通過光學(xué)元件的激 光束上的作用。輸入和輸出之間的關(guān)系經(jīng)常通過傳遞函數(shù)描述。此傳遞函 數(shù)限定例如輸出對(duì)輸入的依賴關(guān)系。如果期望某一輸出，可以針對(duì)輸入解 傳遞函數(shù)以找出對(duì)應(yīng)的輸入。計(jì)算的輸入然后用作用于光學(xué)元件的驅(qū)動(dòng)信 號(hào)。因?yàn)榭勺冃喂鈱W(xué)元件是耐磨的硬的主體，在光學(xué)元件的壽命范圍中傳 遞函數(shù)保持基本恒定。此外，與可變形光學(xué)元件的機(jī)械對(duì)應(yīng)物相比，可變 形光學(xué)元件典型地呈現(xiàn)改善的公差。因?yàn)樵趥鬟f函數(shù)和其解中，公差是難 以處理的，所以可變形光學(xué)元件的傳遞函數(shù)可以比機(jī)械地控制的光學(xué)元件 或布置簡單和易于解答。
在本發(fā)明的另一方面中，設(shè)置點(diǎn)限定激光束的焦點(diǎn)的定位。功能包括 映射驅(qū)動(dòng)信號(hào)到限定可控制地可變形的光學(xué)元件的變形的至少一個(gè)參數(shù)， 映射變形到光學(xué)元件的至少一個(gè)光學(xué)特性，以及映射光學(xué)特性到激光束的 至少一個(gè)參數(shù)。
光學(xué)元件可以制作為包括多個(gè)子系統(tǒng)的系統(tǒng)。第一子系統(tǒng)描述驅(qū)動(dòng)信 號(hào)如何影響光學(xué)元件的變形。此子系統(tǒng)的行為依賴于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的類型和利 用的物理效應(yīng)。例如，驅(qū)動(dòng)信號(hào)可以是輸入電壓而子系統(tǒng)的輸出可以是基 于電潤濕原理的透鏡中的彎月面的曲率半徑。第二子系統(tǒng)描述光學(xué)元件的 變形和光學(xué)特性之間的關(guān)系。光學(xué)元件的光學(xué)特性的范例是透鏡的焦距。 第三子系統(tǒng)描述光學(xué)元件的光學(xué)特性和激光束的至少一個(gè)參數(shù)之間的關(guān) 系。激光束參數(shù)的范例例如是展開的束角或其傳播方向。
光學(xué)鑷子系統(tǒng)從作為束操縱組件的部分的可控制地可變形的光學(xué)元件 受益。能夠預(yù)期與利用傳統(tǒng)的、機(jī)械地移置的或定向的元件的相同的結(jié)果。 能夠克服這些傳統(tǒng)機(jī)械元件的缺點(diǎn)。此外，可變形光學(xué)元件提供用于束操 縱的較大的靈活性。
本發(fā)明的這些和其它方面將從以下描述的實(shí)施例變得明顯，并且將參 照這些實(shí)施例闡述它們。
圖1根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的圖解視圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的圖解視圖3是閑置狀態(tài)中的光學(xué)元件的縱向截面；
圖4示出了在對(duì)稱的激發(fā)狀態(tài)中的圖3的光學(xué)元件；
圖5示出了在非對(duì)稱的激發(fā)狀態(tài)中的圖3的光學(xué)元件；
圖6是裝備有如圖3至5的光學(xué)元件的顯微鏡物鏡的縱向截面；
圖7是用于光學(xué)鑷子系統(tǒng)中的顯微鏡物鏡的前透鏡的圖解透視圖8是根據(jù)圖7中的箭頭VIII的顯微鏡前透鏡的圖解頂視圖9示出了以上的束操縱部件的范例電極部署；
圖10是圖9中描寫的電極的電極電壓隨時(shí)間的描繪。
具體實(shí)施例方式
圖沒有按照比例繪制并且不同的圖中的相同的參考數(shù)字指引對(duì)應(yīng)的元件。
圖1作為集團(tuán)圖解示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)鑷子。光學(xué)鑷子用于以高的 感應(yīng)壓力操縱粒子。在例如A.Ashkin和JM Dziedzic的"Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria", Science 1987， 2335: 1517-20中描述
了潛在的原理。依賴于粒子的直徑是小于還是大于所使用的光的波長，使 用電偶極子近似或射線光學(xué)途徑來分析光與粒子的相互作用。當(dāng)光由對(duì)象 散射時(shí)，存在往往沿光的傳播方向推動(dòng)對(duì)象的散射力。這稱作作用于對(duì)象 上的散射力。此外，所謂的梯度力也作用于對(duì)象上。此梯度力具有兩個(gè)主 要效果。第一個(gè)是對(duì)象被拖拉朝向束的中心，在此處，光強(qiáng)高于激光束的
外部區(qū)中。當(dāng)束強(qiáng)聚焦時(shí)，出現(xiàn)另外的效果。這導(dǎo)致朝向焦點(diǎn)的強(qiáng)的光強(qiáng) 梯度強(qiáng)度。光以朝向強(qiáng)度達(dá)到其最大值的點(diǎn)的梯度強(qiáng)度分布在粒子上施加 力。結(jié)果，對(duì)象被囚禁在光束的焦點(diǎn)上。在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中，焦點(diǎn)可以在 三維上移動(dòng)，即沿激光束的傳播方向上和在垂直于傳播方向的兩個(gè)方向上。
為達(dá)此目的，已知的光緒鑷子系統(tǒng)包括以下部件。光學(xué)鑷子系統(tǒng)100 呈現(xiàn)了激光路徑104和觀察光路106。激光源110產(chǎn)生激光束，激光束通過 用于方便地通過和關(guān)斷激光束的快門112。擴(kuò)束器114提供預(yù)定的束直徑。 在描寫的光學(xué)鑷子系統(tǒng)中，用于明亮和偏振的激光的可變衰減器包括可旋 轉(zhuǎn)半波片116和固定的棱鏡起偏器118。束控制器(beamsteerer)包括兩個(gè) 活動(dòng)反射鏡122和124，都安裝在相同的垂直桿上。需要注意，反射鏡122 及回到激光源的光路實(shí)際上垂直于垂直軸附近的反射鏡124。為方便，在此 將其繪制在相同的平面中。
沿激光束的路徑進(jìn)一步向下，用于操縱和齊焦化激光斑點(diǎn)的簡單的1: 1望遠(yuǎn)鏡布置包括固定的透鏡128和活動(dòng)的透鏡126。此兩個(gè)相同的平面凸 面透鏡126和128放置分開的距離為它們的焦距的和，使得進(jìn)入活動(dòng)的透 鏡126的平行光將產(chǎn)生從固定的透鏡128射出的相同束直徑的平行光。活 動(dòng)的透鏡126安裝在x-y-z平移臺(tái)架或微操縱器上。此透鏡在所有三個(gè)方向 上的運(yùn)動(dòng)近似地產(chǎn)生激光焦點(diǎn)在相同的三維上的對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于焦點(diǎn)在 軸方向(z方向)上的運(yùn)動(dòng)，透鏡126被推向透鏡128。這使得激光束在離 開第二透鏡128時(shí)變得稍微發(fā)散。這將焦點(diǎn)從物鏡推開并且較深入到樣品 中。同樣，當(dāng)透鏡126被從透鏡128拖拉開時(shí)，離開望遠(yuǎn)鏡到透鏡128的 左邊的激光束變得有點(diǎn)會(huì)聚，將焦點(diǎn)引向物鏡。透鏡126在垂直于光軸的 x-y平面中的運(yùn)動(dòng)在離開透鏡128的光(其基本是束的旋轉(zhuǎn))中產(chǎn)生偏離。 如果透鏡128被成像到物鏡瞳孔的背面，則此旋轉(zhuǎn)發(fā)生在到物鏡瞳孔的共 軛平面中，導(dǎo)致激光斑的平移。透鏡128通過其在物鏡瞳孔后在2f距離處 的位置實(shí)現(xiàn)此，其中f是透鏡126和128的焦距。
分色鏡132反射合適的激光波長，通常 1100nm或 850nm。分色鏡 132透射650nm以下的可見光。這導(dǎo)引激光束朝向顯微鏡物鏡142。因?yàn)榭?見光可以通過分色鏡，可以使用標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡部件經(jīng)由觀察路徑106觀察風(fēng) 景。作為附加的安全措施，在分色鏡132和觀察者之間提供紅外阻擋濾光
器134。
標(biāo)準(zhǔn)的顯微鏡物鏡142完成聚焦激光束的主要量。物鏡典型地為高NA 物鏡，具有在40X和100X之間的放大率，在1.25和1.40之間的NA，并 且設(shè)計(jì)用于油浸或水浸。顯微鏡物鏡包括后焦透鏡144和前透鏡148。物鏡 可以包含像差校正裝置，為簡單沒有描寫像差校正裝置。
要囚禁的對(duì)象部署于樣品載體152上。
在對(duì)象要繞激光束旋轉(zhuǎn)的情況下，光學(xué)鑷子系統(tǒng)IOO需要另外的裝置， 諸如變形透鏡和馬達(dá)或等同物，以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)變形透鏡。變形透 鏡產(chǎn)生非對(duì)稱的焦點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)該透鏡也旋轉(zhuǎn)焦點(diǎn)，并且因此旋轉(zhuǎn)對(duì)象。 一個(gè) 替代是使用專門的光柵，所謂的螺旋相輪廓(helical phase profile),其轉(zhuǎn)換 螺旋模式中的TEM。o激光束(針對(duì)激光束的波傳播的基模)。然而，此方法 的缺點(diǎn)是旋轉(zhuǎn)速度不易改變。
圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一實(shí)施例的光學(xué)鑷子系統(tǒng)。此系統(tǒng)不同于圖1 的光學(xué)鑷子系統(tǒng)，因?yàn)闆]有使用望遠(yuǎn)鏡布置來控制激光束的焦點(diǎn)。此功能 現(xiàn)在由在此實(shí)施例中位于顯微鏡物鏡142中的束操縱部件246承擔(dān)。更具 體地，束操縱部件位于顯微鏡物鏡的后焦透鏡144和前透鏡148之間。在 不同的實(shí)施例中，束操縱部件可以放置在顯微鏡物鏡142之前。束操縱部 件246可以是利用電潤濕效應(yīng)的變焦透鏡。在此情況下，其包含具有不同 折射率的兩種不溶合的流體?？梢愿淖儍煞N流體之間的彎月面，使得可以 響應(yīng)于給予束操縱部件的命令獲得透鏡的變化的光學(xué)行為。在如圖1中描 寫的已知的光學(xué)鑷子系統(tǒng)中，望遠(yuǎn)鏡部分需要大量的空間。如上述，需要 具有它們的已知的缺點(diǎn)的機(jī)械望遠(yuǎn)鏡，以控制圖1中所示的活動(dòng)的透鏡126。
圖3示出了在電潤濕透鏡300的軸平面中的截面。電潤濕透鏡300示 于閑置狀態(tài)中。在描寫的形式中，其具有基本圓柱的形式。電潤濕透鏡包 括密封的容器，具有容器基座302、容器蓋304、及容器壁306。容器優(yōu) 選地由透明材料制成。然而，容器壁不必是透明的。
電潤濕透鏡還包括基座電極312和壁電極316?；姌O312作為具有 外輪緣的環(huán)形成。其位于容器基座302和容器壁306之間的過渡處。此外， 基座電極312通過容器基座302和容器壁306之間的合適的通道從容器的 外部到內(nèi)部延伸?；姌O302的右邊描繪連接端子，通過它，電壓加于
基座電極上。壁電極316圍繞容器壁306，除鄰近容器基座302的部分外。 這里，壁電極316描繪為兩個(gè)同心的圓柱體，它們由環(huán)在它們各自的較上 邊緣連接。雖然，例如能夠放棄外部圓柱(如果甚至對(duì)快速改變的電壓也 能夠在整個(gè)電極上獲得滿意的一致的電壓分布)。連接端描繪在壁電極316 的右側(cè)，在用于基座電極312的連接端的附近。
絕緣體322位于由壁電極316的內(nèi)部圓柱限定的開口內(nèi)。此外，疏水 涂層324在容器的內(nèi)部在腔的頂部和側(cè)面但是不在底部提供襯里。
由容器、電極、絕緣體和疏水涂層形成的腔填充有兩種不相溶的流體。 第一流體332是導(dǎo)電的并且可以是例如鹽水。第二流體是絕緣的并且可以 是例如某種油。基于水的第一流體典型地具有約1.33的折射率，而通過使 用合適的油，第二流體的折射率能夠選擇為高達(dá)1.6。折射率差異越大，得 到的電潤濕透鏡越有效。通過匹配兩種流體的密度，透鏡能夠變得穩(wěn)定， 預(yù)防撞擊和振動(dòng)。其還變得與它被使用的方向無關(guān)。因?yàn)榈谝涣黧w主要包 含水，腔的內(nèi)頂部和側(cè)壁上的疏水涂層324通過排斥第一流體而對(duì)它進(jìn)行 作用。結(jié)果，第一流體往往最小化它與疏水涂層324的接觸面積。此行為 導(dǎo)致兩種流體之間彎曲的界面。該界面也稱作彎月面并且用作球面透鏡。 因?yàn)橛?34比水溶液332有較高折射率，所以電潤濕透鏡的光學(xué)效果可比 得上發(fā)散透鏡，這能夠從頂部到底部通過透鏡的發(fā)散光線看出。
圖4示出了如圖3中描寫的相同的電潤濕透鏡，這次，施加不同于零 的電壓到基座電極312和壁電極316的端子。在應(yīng)用此電壓時(shí)，電荷在壁 電極中積累，而在靠近固/液界面處的導(dǎo)電流體中感應(yīng)出相反的電荷。與施 加的電壓相關(guān)的電荷量導(dǎo)致作用在兩種流體之間的彎月面上的附加的力。 因?yàn)橐后w量保持相同，此附加的力導(dǎo)致兩種流體之間的界面的曲率半徑改 變。因?yàn)楝F(xiàn)在以相對(duì)于第二流體334以凸面的方式對(duì)界面進(jìn)行了整形，所 以電潤濕透鏡的表現(xiàn)如同平面凸面透鏡。會(huì)聚透鏡是會(huì)聚透鏡且其對(duì)通過 電潤濕透鏡的光線的作用在圖4中描繪。
圖5示出了與圖3和4類似的電潤濕透鏡。差異是圖5中示出的電潤 濕透鏡500的電極部署不是完全合理地對(duì)稱的。實(shí)際上，壁電極現(xiàn)在包括 兩個(gè)區(qū)別的電極516和517。因此，不同的電壓能夠施加在電潤濕透鏡的兩 個(gè)相反的側(cè)面上。這導(dǎo)致界面被拖拉向疏水涂324到在每個(gè)側(cè)面上不同的
高度。依次，這使得界面相對(duì)于垂直于電潤濕透鏡的光軸的平面傾斜。只 要彎月面是平的，電潤濕透鏡的行為就如同棱鏡。為達(dá)此目的，施加于電
極515和517的平均電壓應(yīng)當(dāng)在0伏和施加于圖4中所示的電潤濕透鏡的 電壓之間某處。彎月面的傾斜能夠與如圖3中的發(fā)散行為、或如圖4中的 會(huì)聚行為組合。在圖5中，示出了向左傾斜彎月面和以相對(duì)于第二流體334 以凸面方式整形它的組合。這導(dǎo)致電潤濕透鏡呈現(xiàn)位于透鏡下并且稍微向 左的焦點(diǎn)。
在圖5中，示出了兩個(gè)壁電極段516和517。明顯地，能夠以較高的自 由度選擇任何數(shù)量的電極段，以在不同于光軸的方向上導(dǎo)引光通過電潤濕 透鏡。對(duì)于更完整的描述，參照國際專利申請(qǐng)公開WO2004/051323。
圖6示出了通過裝備有電潤濕透鏡500的顯微鏡物鏡142的軸平面中 的截面。以已知的方式，顯微鏡物鏡包括前透鏡604、彎月面透鏡606、以 及例如后焦距透鏡608 (也稱作后焦透鏡)。術(shù)語彎月面透鏡不應(yīng)當(dāng)與電潤 濕透鏡500的彎月面混淆。顯微鏡物鏡還包括外殼602，用于固定透鏡并提 供保護(hù)以免受來自側(cè)面的入射光及灰塵的影響。顯微鏡物鏡142應(yīng)當(dāng)理解 為簡化的描繪?？梢蕴峁└郊拥牟考?，諸如像差和色度校正裝置。此外， 顯微鏡物鏡142沒有按比例繪制。電潤濕透鏡500放置在彎月面透鏡606 和后焦距透鏡608之間。在此位置，電潤濕透鏡500能夠以方便的方式履 行聚焦和導(dǎo)引光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束。物鏡的前透鏡604提供光學(xué)鑷子系 統(tǒng)所需的聚焦焦度的主要部分。通過改變電潤濕透鏡的焦距，能夠改變組 合的系統(tǒng)的焦距。這導(dǎo)致焦點(diǎn)上下移動(dòng)。
應(yīng)當(dāng)注意，隨著電潤濕透鏡改變其焦距和偏轉(zhuǎn)方向，觀察者的視野也 發(fā)生改變。熟悉光學(xué)鑷子系統(tǒng)領(lǐng)域狀態(tài)的用戶可能需要一些時(shí)間來熟悉此 操作方式。然而，應(yīng)當(dāng)理解，焦點(diǎn)總在觀察者視野的中心。作為對(duì)觀察者 的方向，從圖1到2的樣品載體152可以示出格柵和對(duì)應(yīng)的標(biāo)記。
在可選例中，電潤濕透鏡能夠位于激光束路徑104和垂直顯微鏡光路 106 (圖2)分開的點(diǎn)。電潤濕透鏡然后能夠位于激光束路徑104中。
此外，提供兩個(gè)或更多個(gè)電潤濕透鏡也是可能的。于是一個(gè)電潤濕透 鏡能夠用于調(diào)整光學(xué)鑷子系統(tǒng)的焦距，而一個(gè)或多個(gè)其它電潤濕透鏡提供 束偏轉(zhuǎn)。圖7是稍微從下面的透視圖中的顯微鏡物鏡142的前透鏡604的示意 性視圖，示例光學(xué)鑷子系統(tǒng)的一些變量。前透鏡604由激光束762在基本 從頂部到底部的方向橫過。圖7示出了特殊情況，其中，激光束位于前透 鏡的較低表面的平面中的中心。通常，依賴于F制光圈(F-stop)的設(shè)置， 不必相對(duì)于提到的表面將激光束定為中心。圖7中，在進(jìn)入前透鏡604之 前，激光束762由例如電潤濕透鏡偏轉(zhuǎn)。因此，激光束762不在平行于前 透鏡的光軸的方向上撞擊前透鏡604的較上半球。定義坐標(biāo)系，其原點(diǎn)位 于前透鏡604的較低平面表面的中心。坐標(biāo)系的z軸沿前透鏡604的光軸 在激光束的傳播方向上延伸，即圖7中向下。坐標(biāo)系的x-y平面由前透鏡 604的所述較低平面表面定義。僅示出了x軸。在使用光學(xué)鑷子系統(tǒng)之前， 校準(zhǔn)顯微鏡物鏡圍繞其光軸的角度位置是有利的，以便能夠以規(guī)定的方式 控制期望的束偏轉(zhuǎn)。
激光束762呈現(xiàn)激光束軸766。前透鏡的光軸和激光束軸之間的角度由 0 (大寫字母THETA)指定。激光束762聚焦到焦點(diǎn)764。焦點(diǎn)的z坐標(biāo)由 得到的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的焦距&給出。如果入射光的方向變化，則透鏡的焦 點(diǎn)在垂直于光軸的平面中移置。
圖8示出了在圖7的方向VIII上從前透鏡604以上的視圖。示出了坐 標(biāo)系的x軸和y軸。內(nèi)圓描繪激光束762在前透鏡604的較低平面表面處 的激光束762的外形。激光束軸766示出為在到x軸的角度O (大寫字母 PHI)以下。
計(jì)算上確定焦點(diǎn)的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)的一種方式是計(jì)算激光束軸766與 焦平面的焦點(diǎn)。因?yàn)閦坐標(biāo)已知為得到的焦距&，所以僅需要確定x坐標(biāo)和 y坐標(biāo)。在通常環(huán)境下，預(yù)選擇x、 y、和z坐標(biāo)并且由光學(xué)鑷子系統(tǒng)導(dǎo)引 焦點(diǎn)到此位置。因此，必須執(zhí)行相反的計(jì)算，以得到對(duì)f。 0> (PHI)和0 (THETA)的對(duì)應(yīng)值。于是可以從這些值計(jì)算合適的電極信號(hào)。使用一個(gè) 或數(shù)個(gè)查找表格也是一種選擇。
圖9是從頂部觀看的電潤濕透鏡的示意性描繪。為簡明，僅示出了疏 水涂層324和六個(gè)電極316a-316f。參考數(shù)字902表示例如第一和第二流體 332、 334之間的彎月面的輪廓線。定義當(dāng)前彎月面形狀的最上和最下z位 置之間的中間z位置的可以是例如輪廓線。如能夠看到的，輪廓線902具有橢圓形狀。這意指彎月面沿橢圓的兩個(gè)主軸呈現(xiàn)不同的曲率半徑。其中， 橢圓是細(xì)長的，曲率半徑相對(duì)地高，并且反之亦然。通過以特定模式驅(qū)動(dòng)
電極316a-316f，隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)橢圓是可能的。圖9描繪當(dāng)前為平面凸面的透 鏡相對(duì)于第二較高折射率流體334的時(shí)刻，在該時(shí)刻，與其它電極316a、 316b、 316d、及316e相比，電極316c和316f被以較小電壓驅(qū)動(dòng)。實(shí)際上， 沿彎月面產(chǎn)生界面波。作為其結(jié)果，焦點(diǎn)變得不對(duì)稱并且隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)?？?慮它的另一途徑是將電潤濕透鏡當(dāng)作變形透鏡。為了產(chǎn)生能夠旋轉(zhuǎn)由光學(xué) 鑷子系統(tǒng)抓住的粒子的非對(duì)稱，利用諸如由電潤濕透鏡產(chǎn)生的慧差的像差 效果是足夠的。
圖10描繪針對(duì)圖9中的六個(gè)電極316a-316f的信號(hào)發(fā)展。如果期望彎 月面的對(duì)稱的配置，則成對(duì)分組電壓Va至Vf。屬于相同對(duì)的兩個(gè)電壓，例 如Va和Vd，具有針對(duì)彎月面的對(duì)稱配置的相同值。在圖10中，電壓描繪 為具有周期T的正弦函數(shù)。這不是必須的，從而電壓可以遵從其它函數(shù)。 電壓具有平均值Vm。此平均值規(guī)定期望的直流電壓成分，其是提供某一曲 率并且依次某一焦距所需要的。如上述，諸如慧差的像差已經(jīng)可以足夠提 供所需的非對(duì)稱。因此，弱的交變電壓成分也已經(jīng)可以提供期望的效果。
雖然于此描述的系統(tǒng)基于電潤濕透鏡，但是相同的原理也適用于基于 磁潤濕的系統(tǒng)，因此適用于包含兩種流體的系統(tǒng)，其中一種為鐵磁流體， 并且其中彎月面的形狀由磁場改變。在歐洲專利申請(qǐng)EP 04102437號(hào)中能夠 找到詳細(xì)的討論。
權(quán)利要求
1、一種在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的束操縱部件，該束操縱部件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，其可控制地可變形，以響應(yīng)于來自該光學(xué)鑷子系統(tǒng)的信號(hào)而作用在激光束上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的束操縱部件，還包括腔室，其包含第一介質(zhì)、 第二介質(zhì)、所述第一介質(zhì)和所述第二介質(zhì)之間的界面、以及界面控制裝置， 其中，所述第一介質(zhì)和所述第二介質(zhì)中的一個(gè)用作所述光學(xué)元件。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的束操縱部件，其中，所述界面由一個(gè)或多個(gè) 邊緣段劃定界限，并且其中，所述界面控制裝置布置為各別地作用在所述 邊緣段上。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的束操縱部件，其中，所述束操縱部件包括電 潤濕透鏡，并且所述界面控制裝置包括電極，該電極布置為提供單獨(dú)的電 壓給所述邊緣段的每一個(gè)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求3或4的任一項(xiàng)所述的束操縱部件，其中，所述光學(xué) 元件呈現(xiàn)光軸并且相對(duì)于所述光軸是非對(duì)稱地可變形的，并且其中，所述 界面控制裝置布置為以隨時(shí)間變化的方式非對(duì)稱地作用在所述邊緣段上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的束操縱部件，其中，所述界面控制裝置布置 為以周期時(shí)間模式作用在所述界面上。
7、 一種光學(xué)鑷子系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至6的任一項(xiàng)所述的束操 縱部件。
8、 一種操縱包括可控制地可變形的光學(xué)元件的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束 的方法，該方法包括步驟 接收用于所述激光束的操縱的設(shè)置點(diǎn)信號(hào)；-通過映射所述設(shè)置點(diǎn)到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的函數(shù)來計(jì)算用于所述光學(xué)元件 的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及-利用來自該光學(xué)鑷子系統(tǒng)的所述信號(hào)驅(qū)動(dòng)所述光學(xué)元件。 9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，-所述設(shè)置點(diǎn)限定所述激光束的焦點(diǎn)的定位，其中，所述函數(shù)包括 -映射所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)到限定所述可控制地可變形的光學(xué)元件的變形的至 少一個(gè)參數(shù)，-映射所述變形到所述光學(xué)元件的至少一個(gè)光學(xué)特性，以及 -映射所述光學(xué)特性到所述激光束的至少一個(gè)參數(shù)。
全文摘要
一種在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的束操縱部件，該束操縱部件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，其可控制地可變形，以響應(yīng)于來自該光學(xué)鑷子系統(tǒng)的信號(hào)作用在激光束上。該束操縱部件可以用于改變光學(xué)鑷子系統(tǒng)的焦距及偏轉(zhuǎn)激光束。
文檔編號(hào)G02B21/32GK101341425SQ200680048112
公開日2009年1月7日 申請(qǐng)日期2006年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月21日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, S·凱珀 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司