專利名稱：隔離或囚禁小的微粒物質的流體聚焦透鏡的制作方法
隔離或囚禁小的微粒物質的流體聚焦透鏡
本發(fā)明涉及光學鑷子系統(tǒng)和用于操作該系統(tǒng)的方法。尤其是，本發(fā)明 致力于包括在光學鑷子系統(tǒng)中的具有可變形光學元件的束操縱部件。
在例如生物學、物理學、納米制造中發(fā)現(xiàn)了光學鑷子的應用，并且作 為用于小型化的機器的光學致動器。
光學鑷子的原理是基于利用輻射壓力的力。強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。光學鑷子的 基本性質是粒子在光強分布中成為被囚禁的。光以朝向強度達到其最大值 的點的梯度強度分布在粒子上施加力。結果，例如，粒子能夠被囚禁在光 束的焦點中。改變焦點的位置也改變粒子在空間的位置。使用馬達或壓電 致動器用于移置透鏡或傾斜反射鏡的機械裝置是已知的。這些機械裝置的 缺點是它們復雜并且需要易受磨損影響的機械地活動的部分。此外，每個 附加的自由度通常需要專用的致動器并且可能地還需要諸如透鏡或反射鏡 的附加的光學元件。因此，具有三個平移和一個旋轉自由度的范例光學鑷 子系統(tǒng)變得復雜和相當昂貴的。
本發(fā)明的目的是提供光學鑷子中用于操縱激光束的機械裝置的可選例。
根據本發(fā)明的一方面，提供了用于在光學鑷子系統(tǒng)中使用的束操縱部 件，該束操縱部件包括至少一個光學元件，其可控制地可變形，以響應于 來自該光學鑷子系統(tǒng)的信號而作用在激光束上。
本發(fā)明的此方面的束操縱部件提供光學鑷子系統(tǒng)中的束控制。其有能 力承擔光學鑷子系統(tǒng)中當前使用的基本上機械的束操縱裝置的功能性。同 時，本發(fā)明的束操縱部件不易受到上述機械裝置的缺陷的影響。由于其不 同的配置，諸如例如機械公差，其甚至免除了一個或多個缺陷。束例如是
光學鑷子系統(tǒng)中使用的用于囚禁粒子、細菌等的激光束。由于光學元件的 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 光學元件的數量的機會?？梢院喜⒅两衩總€需要區(qū)別的光學元件的數個功 能。
束操縱應當理解為對束的作用，通過它，當束通過束操縱部件時，一 個或多個束的性質能夠被改變。尤其是，束的幾何性質易于由束操縱部件 改變，諸如束方向、其會聚、其橫截面的形狀，僅舉數例。
光學元件描繪直接作用在束上的部件。其可以是折射光學元件或反射 光學元件。光學元件還可以呈現(xiàn)衍射效應。光學元件是可變形的，使得能 夠改變光學元件的內部空間材料分布。諸如折射或反射的光學效應典型地 發(fā)生在傳播介質突然地或逐漸地改變的位置。從而，改變光學元件的材料 分布改變光學元件的光學行為。使用的光學元件的優(yōu)點是其材料分布是可 控制的。通過利用合適的信號驅動束操縱部件和包括的光學元件，光學元 件發(fā)生變形，其依次改變束操縱部件的光學行為。換句話說，束操縱部件 實現(xiàn)了驅動信號到光學行為的映射。用于束操縱部件的驅動信號來自光學 鑷子系統(tǒng)。從而，提供光學鑷子系統(tǒng)來控制束操縱動作。在此上下文中， 應當注意，生成驅動信號的似乎獨立的控制器也應當理解為光學鑷子系統(tǒng) 的部分。原因是控制例如粒子的位置是光學鑷子系統(tǒng)的基本功能。
根據本發(fā)明的另一方面，束操縱部件還包括腔室，其包含第一介質、 第二介質、所述第一介質和所述第二介質之間的截面、以及界面控制裝置， 其中所述第一介質和所述第二介質中的一個用作所述光學元件。
腔室典型地具有恒定的體積。第一介質和第二介質的體積也典型地也 是恒定的。第一和第二介質例如是具有不同光學性質的兩種不相溶的流體。 如果兩種流體具有幾乎相同的密度，則重力對束操縱部件的操作沒有實質 的影響。在兩種介質之間存在界面，其形狀依賴于數個因素，諸如表面張 力、可濕性、或兩種介質的每一種的毛細效應。能夠通過界面控制裝置影 響界面是有利的，導致界面的例如改變的形狀、位置、或方向。
根據本發(fā)明的另一方面，界面由一個或多個邊緣段劃定界限，并且界 面控制裝置布置為各別地作用在所述邊緣段上。
在界面由單個邊緣段劃定界限的情況下，界面以均勻的方式從所有側作用。用于具有單個邊緣段的該布置的范例是圓形界面或橢圓形界面。當 僅存在單個邊緣時，能夠預期相對于光學元件的重力中心的光學元件的基 本對稱的變形。在更普遍的多個邊緣段的情況下，其中每個段由界面控制 裝置各別地控制，能夠獲得界面的更靈活的配置。尤其是，界面的不對稱 的形狀也是可能的。對稱的概念可以指旋轉對稱(例如相對于光學元件閑 置時的光軸)，或鏡面對稱，依賴于界面形狀。各別地控制邊緣段的能力在 垂直于光學元件的閑置狀態(tài)光軸的平面中提供附加的自由度。
根據本發(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，布置為提供單獨的電壓給所述邊緣段的每一個。
一個電潤濕透鏡利用當暴露于電場時導電流體和不導電流體反應不同 的事實。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
面往往對施加的電場起反應。所需的電場由是界面控制裝置的部分的電極 產生。除對應于一個或多個邊緣段的一個或多個電極外，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可以具有相同的距離。 其甚至可以與導電流體接觸。在每個具有不同電勢的數個電極的情況下， 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實 現(xiàn)這。依賴于此路徑的電阻，電流會從一個電極流動到另一個電極，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。 根據本申請的另一方面，光學元件呈現(xiàn)光軸并且相對于光軸是非對稱 地可變形的，并且界面控制裝置布置為以隨時間變化的方式非對稱地作用 在邊緣段上。
相對于光軸非對稱地可變形的光學元件的優(yōu)點是，以此方式束可以改 變其橫截面形狀。如果束被聚焦，則光學元件的非對稱的變形也導致非對 稱的焦點。與界面控制裝置在邊緣段上的隨時間變化的作用組合，能夠繞 束軸旋轉非對稱的焦點。由于繞束軸的非對稱的焦點旋轉，在束的焦點處 囚禁的粒子經歷扭矩。因此，優(yōu)點是通過激光束，能夠引起粒子旋轉。為 達此目的，可以以圓形模式制動電極段。此效果難以通過全機械
(all-mechanical)束操縱裝置實現(xiàn)，因為諸如變形透鏡(沿兩個主軸方向不
同的透鏡曲率)的特別的透鏡必須通過例如電馬達的方式繞光軸旋轉。光 學元件的光軸規(guī)定為光學元件閑置的情形，即沒有電極施加電場。實際上， 光學元件的真實的光軸是可變化的。此外，光學元件的光軸可以呈現(xiàn)彎曲， 表示光軸的傳播方向由光學元件改變。
根據本發(fā)明的另一方面，界面控制裝置布置為以周期時間模式作用在 界面上。
提供周期時間模式的優(yōu)點是，與通過旋轉激光束的非對稱焦點而施加 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用中操 作小型化的旋轉機器，諸如泵、閥、離心機等。周期時間模式還容許激光 束的焦點的振蕩運動。在包括數個位置的來回旅程上逮捕諸如粒子、細菌 等的樣品也是可能的。在每個位置，樣品經歷特定的測試，例如測量樣品 對某種物質的反應。光學鑷子系統(tǒng)的測量納牛和Kl牛范圍中的力的能力可 以用于測量樣品和給定物質之間的吸引力。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，將它運輸到多個測試位置，并且最終 將它運輸到離開位置。其后，焦點回到第一位置。可以通過短暫地關斷和 通過激光束來實現(xiàn)樣品的抓住和釋放?？梢栽O想其它的可選例，諸如移置 樣品載體下的焦點，使得樣品到達樣品載體上。
根據本發(fā)明的一方面，光學鑷子系統(tǒng)包括如上述的束操縱部件。 光學鑷子系統(tǒng)從束操縱部件的改變激光束的方向和焦距而無需機械元 件的能力受益。束操縱部件可以執(zhí)行光學鑷子系統(tǒng)中所需的所有基本束控
制功能。調整焦距和在x-y平面中移動焦點在這些基本功能中，x-y平面是 基本垂直于光學鑷子系統(tǒng)的物鏡的光軸的平面。然而，某些功能仍然由機 械元件執(zhí)行。此外，可以預期使用根據本發(fā)明的兩個或更多個束操縱部件， 每個承擔特定的功能?？赡艿墓δ芊珠_可以是一個束操縱部件提供焦距調 整，第二束操縱部件承擔x-y平面中的偏轉，而第三束操縱部件承擔使得焦 點不對稱并隨時間旋轉它的功能。提出的光學鑷子系統(tǒng)的另一優(yōu)點是束操 縱部件比已知的機械系統(tǒng)較不容易受到磨損。
根據本發(fā)明的一方面， 一種操縱光學鑷子系統(tǒng)的激光束的方法，光學 鑷子系統(tǒng)包括可控制地可變形的光學元件，該方法包括步驟
-接收用于所述激光束的操縱的設置點信號；
-通過映射該設置點到該驅動信號的函數來計算用于所述光學元件的至
少一個驅動信號；以及
-利用來自該光學鑷子系統(tǒng)的該信號驅動該光學元件。 提出的方法的優(yōu)點是其容許控制可控制地可變形的光學元件。該控制 可以提供在開環(huán)(即無反饋)或閉環(huán)(即有反饋)中。在多數情況下，設 置點信號對應于用戶希望實現(xiàn)的激光束的參數(例如激光束的方向、激光 束的焦距、激光束的對稱/不對稱)?？勺冃喂鈱W元件是用于將設置點信號轉 變?yōu)閷男牟考械囊粋€。同樣，光學元件具有給定的傳遞函數， 映射輸入信號到輸出效應。在此范例中，設置點信號(或從設置點推得的 信號)用作用于可變形光學元件的輸入。用于光學元件的輸入也可以視作 光學元件的驅動信號。光學元件的輸出效應可以視作在通過光學元件的激 光束上的作用。輸入和輸出之間的關系經常通過傳遞函數描述。此傳遞函 數限定例如輸出對輸入的依賴關系。如果期望某一輸出，可以針對輸入解 傳遞函數以找出對應的輸入。計算的輸入然后用作用于光學元件的驅動信 號。因為可變形光學元件是耐磨的硬的主體，在光學元件的壽命范圍中傳 遞函數保持基本恒定。此外，與可變形光學元件的機械對應物相比，可變 形光學元件典型地呈現(xiàn)改善的公差。因為在傳遞函數和其解中，公差是難 以處理的，所以可變形光學元件的傳遞函數可以比機械地控制的光學元件 或布置簡單和易于解答。
在本發(fā)明的另一方面中，設置點限定激光束的焦點的定位。功能包括 映射驅動信號到限定可控制地可變形的光學元件的變形的至少一個參數， 映射變形到光學元件的至少一個光學特性，以及映射光學特性到激光束的 至少一個參數。
光學元件可以制作為包括多個子系統(tǒng)的系統(tǒng)。第一子系統(tǒng)描述驅動信 號如何影響光學元件的變形。此子系統(tǒng)的行為依賴于驅動信號的類型和利 用的物理效應。例如，驅動信號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)描述光學元件的 變形和光學特性之間的關系。光學元件的光學特性的范例是透鏡的焦距。 第三子系統(tǒng)描述光學元件的光學特性和激光束的至少一個參數之間的關 系。激光束參數的范例例如是展開的束角或其傳播方向。
光學鑷子系統(tǒng)從作為束操縱組件的部分的可控制地可變形的光學元件 受益。能夠預期與利用傳統(tǒng)的、機械地移置的或定向的元件的相同的結果。 能夠克服這些傳統(tǒng)機械元件的缺點。此外，可變形光學元件提供用于束操 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施例變得明顯，并且將參 照這些實施例闡述它們。
圖1根據現(xiàn)有技術的光學鑷子系統(tǒng)的圖解視圖2是根據本發(fā)明的一個實施例的光學鑷子系統(tǒng)的圖解視圖3是閑置狀態(tài)中的光學元件的縱向截面；
圖4示出了在對稱的激發(fā)狀態(tài)中的圖3的光學元件；
圖5示出了在非對稱的激發(fā)狀態(tài)中的圖3的光學元件；
圖6是裝備有如圖3至5的光學元件的顯微鏡物鏡的縱向截面；
圖7是用于光學鑷子系統(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間的描繪。
具體實施例方式
圖沒有按照比例繪制并且不同的圖中的相同的參考數字指引對應的元件。
圖1作為集團圖解示出了現(xiàn)有技術的光學鑷子。光學鑷子用于以高的 感應壓力操縱粒子。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途徑來分析光與粒子的相互作用。當光由對象 散射時，存在往往沿光的傳播方向推動對象的散射力。這稱作作用于對象 上的散射力。此外，所謂的梯度力也作用于對象上。此梯度力具有兩個主 要效果。第一個是對象被拖拉朝向束的中心，在此處，光強高于激光束的
外部區(qū)中。當束強聚焦時，出現(xiàn)另外的效果。這導致朝向焦點的強的光強 梯度強度。光以朝向強度達到其最大值的點的梯度強度分布在粒子上施加 力。結果，對象被囚禁在光束的焦點上。在光學鑷子系統(tǒng)中，焦點可以在 三維上移動，即沿激光束的傳播方向上和在垂直于傳播方向的兩個方向上。
為達此目的，已知的光緒鑷子系統(tǒng)包括以下部件。光學鑷子系統(tǒng)100 呈現(xiàn)了激光路徑104和觀察光路106。激光源110產生激光束，激光束通過 用于方便地通過和關斷激光束的快門112。擴束器114提供預定的束直徑。 在描寫的光學鑷子系統(tǒng)中，用于明亮和偏振的激光的可變衰減器包括可旋 轉半波片116和固定的棱鏡起偏器118。束控制器(beamsteerer)包括兩個 活動反射鏡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。
沿激光束的路徑進一步向下，用于操縱和齊焦化激光斑點的簡單的1: 1望遠鏡布置包括固定的透鏡128和活動的透鏡126。此兩個相同的平面凸 面透鏡126和128放置分開的距離為它們的焦距的和，使得進入活動的透 鏡126的平行光將產生從固定的透鏡128射出的相同束直徑的平行光?；?動的透鏡126安裝在x-y-z平移臺架或微操縱器上。此透鏡在所有三個方向 上的運動近似地產生激光焦點在相同的三維上的對應的運動。對于焦點在 軸方向(z方向)上的運動，透鏡126被推向透鏡128。這使得激光束在離 開第二透鏡128時變得稍微發(fā)散。這將焦點從物鏡推開并且較深入到樣品 中。同樣，當透鏡126被從透鏡128拖拉開時，離開望遠鏡到透鏡128的 左邊的激光束變得有點會聚，將焦點引向物鏡。透鏡126在垂直于光軸的 x-y平面中的運動在離開透鏡128的光(其基本是束的旋轉)中產生偏離。 如果透鏡128被成像到物鏡瞳孔的背面，則此旋轉發(fā)生在到物鏡瞳孔的共 軛平面中，導致激光斑的平移。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。這導引激光束朝向顯微鏡物鏡142。因為可 見光可以通過分色鏡，可以使用標準顯微鏡部件經由觀察路徑106觀察風 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。
標準的顯微鏡物鏡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 且設計用于油浸或水浸。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。
要囚禁的對象部署于樣品載體152上。
在對象要繞激光束旋轉的情況下，光學鑷子系統(tǒng)IOO需要另外的裝置， 諸如變形透鏡和馬達或等同物，以期望的旋轉速度旋轉變形透鏡。變形透 鏡產生非對稱的焦點。旋轉該透鏡也旋轉焦點，并且因此旋轉對象。 一個 替代是使用專門的光柵，所謂的螺旋相輪廓(helical phase profile),其轉換 螺旋模式中的TEM。o激光束(針對激光束的波傳播的基模)。然而，此方法 的缺點是旋轉速度不易改變。
圖2示出了根據本發(fā)明的一實施例的光學鑷子系統(tǒng)。此系統(tǒng)不同于圖1 的光學鑷子系統(tǒng)，因為沒有使用望遠鏡布置來控制激光束的焦點。此功能 現(xiàn)在由在此實施例中位于顯微鏡物鏡142中的束操縱部件246承擔。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。可以改變兩種流體之間的彎月面，使得可以 響應于給予束操縱部件的命令獲得透鏡的變化的光學行為。在如圖1中描 寫的已知的光學鑷子系統(tǒng)中，望遠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的機械望遠鏡，以控制圖1中所示的活動的透鏡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。基座電極312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(如果甚至對快速改變的電壓也 能夠在整個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，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的內部圓柱限定的開口內。此外，疏水 涂層324在容器的內部在腔的頂部和側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?；谒牡谝涣黧w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， 預防撞擊和振動。其還變得與它被使用的方向無關。因為第一流體主要包 含水，腔的內頂部和側壁上的疏水涂層324通過排斥第一流體而對它進行 作用。結果，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。 因為油334比水溶液332有較高折射率，所以電潤濕透鏡的光學效果可比 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。在應用此電壓時，電荷在壁 電極中積累，而在靠近固/液界面處的導電流體中感應出相反的電荷。與施 加的電壓相關的電荷量導致作用在兩種流體之間的彎月面上的附加的力。 因為液體量保持相同，此附加的力導致兩種流體之間的界面的曲率半徑改 變。因為現(xiàn)在以相對于第二流體334以凸面的方式對界面進行了整形，所 以電潤濕透鏡的表現(xiàn)如同平面凸面透鏡。會聚透鏡是會聚透鏡且其對通過 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稱的。實際上，壁電極現(xiàn)在包括 兩個區(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 個相反的側面上。這導致界面被拖拉向疏水涂324到在每個側面上不同的
高度。依次，這使得界面相對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。為達此目的，施加于電
極515和517的平均電壓應當在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 會聚行為組合。在圖5中，示出了向左傾斜彎月面和以相對于第二流體334 以凸面方式整形它的組合。這導致電潤濕透鏡呈現(xiàn)位于透鏡下并且稍微向 左的焦點。
在圖5中，示出了兩個壁電極段516和517。明顯地，能夠以較高的自 由度選擇任何數量的電極段，以在不同于光軸的方向上導引光通過電潤濕 透鏡。對于更完整的描述，參照國際專利申請公開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)。術語彎月面透鏡不應當與電潤 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 供保護以免受來自側面的入射光及灰塵的影響。顯微鏡物鏡142應當理解 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 行聚焦和導引光學鑷子系統(tǒng)的激光束。物鏡的前透鏡604提供光學鑷子系 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。這導致焦點上下移動。
應當注意，隨著電潤濕透鏡改變其焦距和偏轉方向，觀察者的視野也 發(fā)生改變。熟悉光學鑷子系統(tǒng)領域狀態(tài)的用戶可能需要一些時間來熟悉此 操作方式。然而，應當理解，焦點總在觀察者視野的中心。作為對觀察者 的方向，從圖1到2的樣品載體152可以示出格柵和對應的標記。
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。電潤濕透鏡然后能夠位于激光束路徑104中。
此外，提供兩個或更多個電潤濕透鏡也是可能的。于是一個電潤濕透 鏡能夠用于調整光學鑷子系統(tǒng)的焦距，而一個或多個其它電潤濕透鏡提供 束偏轉。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)的設置， 不必相對于提到的表面將激光束定為中心。圖7中，在進入前透鏡604之 前，激光束762由例如電潤濕透鏡偏轉。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。定義坐標系，其原點位 于前透鏡604的較低平面表面的中心。坐標系的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。在使用光學鑷子系統(tǒng)之前， 校準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。
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764。焦點的z坐標由 得到的光學鑷子系統(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 標系的x軸和y軸。內圓描繪激光束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。
計算上確定焦點的x坐標和y坐標的一種方式是計算激光束軸766與 焦平面的焦點。因為z坐標已知為得到的焦距&，所以僅需要確定x坐標和 y坐標。在通常環(huán)境下，預選擇x、 y、和z坐標并且由光學鑷子系統(tǒng)導引 焦點到此位置。因此，必須執(zhí)行相反的計算，以得到對f。 0> (PHI)和0 (THETA)的對應值。于是可以從這些值計算合適的電極信號。使用一個 或數個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和六個電極316a-316f。參考數字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主軸呈現(xiàn)不同的曲率半徑。其中， 橢圓是細長的，曲率半徑相對地高，并且反之亦然。通過以特定模式驅動
電極316a-316f，隨時間旋轉橢圓是可能的。圖9描繪當前為平面凸面的透 鏡相對于第二較高折射率流體334的時刻，在該時刻，與其它電極316a、 316b、 316d、及316e相比，電極316c和316f被以較小電壓驅動。實際上， 沿彎月面產生界面波。作為其結果，焦點變得不對稱并且隨時間旋轉?？?慮它的另一途徑是將電潤濕透鏡當作變形透鏡。為了產生能夠旋轉由光學 鑷子系統(tǒng)抓住的粒子的非對稱，利用諸如由電潤濕透鏡產生的慧差的像差 效果是足夠的。
圖10描繪針對圖9中的六個電極316a-316f的信號發(fā)展。如果期望彎 月面的對稱的配置，則成對分組電壓Va至Vf。屬于相同對的兩個電壓，例 如Va和Vd，具有針對彎月面的對稱配置的相同值。在圖10中，電壓描繪 為具有周期T的正弦函數。這不是必須的，從而電壓可以遵從其它函數。 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可以足夠提 供所需的非對稱。因此，弱的交變電壓成分也已經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EP 04102437號中能夠 找到詳細的討論。
權利要求
1、一種在光學鑷子系統(tǒng)中使用的束操縱部件，該束操縱部件包括至少一個光學元件，其可控制地可變形，以響應于來自該光學鑷子系統(tǒng)的信號而作用在激光束上。
2、 根據權利要求1所述的束操縱部件，還包括腔室，其包含第一介質、 第二介質、所述第一介質和所述第二介質之間的界面、以及界面控制裝置， 其中，所述第一介質和所述第二介質中的一個用作所述光學元件。
3、 根據權利要求2所述的束操縱部件，其中，所述界面由一個或多個 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、 根據權利要求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的電 壓給所述邊緣段的每一個。
5、 根據權利要求3或4的任一項所述的束操縱部件，其中，所述光學 元件呈現(xiàn)光軸并且相對于所述光軸是非對稱地可變形的，并且其中，所述 界面控制裝置布置為以隨時間變化的方式非對稱地作用在所述邊緣段上。
6、 根據權利要求5所述的束操縱部件，其中，所述界面控制裝置布置 為以周期時間模式作用在所述界面上。
7、 一種光學鑷子系統(tǒng)，包括根據權利要求1至6的任一項所述的束操 縱部件。
8、 一種操縱包括可控制地可變形的光學元件的光學鑷子系統(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置點信號；-通過映射所述設置點到所述驅動信號的函數來計算用于所述光學元件 的至少一個驅動信號；以及-利用來自該光學鑷子系統(tǒng)的所述信號驅動所述光學元件。 9、根據權利要求8所述的方法，其中，-所述設置點限定所述激光束的焦點的定位，其中，所述函數包括 -映射所述驅動信號到限定所述可控制地可變形的光學元件的變形的至 少一個參數，-映射所述變形到所述光學元件的至少一個光學特性，以及 -映射所述光學特性到所述激光束的至少一個參數。
全文摘要
一種在光學鑷子系統(tǒng)中使用的束操縱部件，該束操縱部件包括至少一個光學元件，其可控制地可變形，以響應于來自該光學鑷子系統(tǒng)的信號作用在激光束上。該束操縱部件可以用于改變光學鑷子系統(tǒng)的焦距及偏轉激光束。
文檔編號G02B21/32GK101341425SQ200680048112
公開日2009年1月7日 申請日期2006年11月30日 優(yōu)先權日2005年12月21日
發(fā)明者B·H·W·亨德里克斯, S·凱珀 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司