專(zhuān)利名稱(chēng)：隔離或俘獲小的微粒物質(zhì)的變焦透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
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)元件的束操控部件。
背景技術(shù)：
光學(xué)鑷子應(yīng)用于例如生物學(xué)、物理學(xué)、納米制造中，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 操控如原子、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)分布中成為被俘獲的。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，粒子能夠被俘獲在光 束的焦點(diǎn)中。改變焦點(diǎn)的位置也改變粒子在空間中的位置。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)械上活動(dòng)的部分。此外，每 個(gè)附加的自由度通常需要專(zhuān)用的致動(dòng)器并且可能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。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供用于光學(xué)鑷子中操控激光束的機(jī)械裝置的替代例。
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)中使用的束操控部 件，所述束操控部件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件可控制地可變 形，以響應(yīng)于來(lái)自所述光學(xué)鑷子系統(tǒng)的信號(hào)而對(duì)激光束進(jìn)行作用。
本發(fā)明的此方面的束操控部件提供光學(xué)鑷子系統(tǒng)中的束控制。其有能
5力承擔(dān)光學(xué)鑷子系統(tǒng)中當(dāng)前使用的基本上機(jī)械的束操控裝置的功能性。同 時(shí)，本發(fā)明的束操控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)中使用的用于俘獲粒子、細(xì)菌等的激光束。由于光學(xué)元件的 變形，束操控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。
束操控應(yīng)當(dāng)理解為對(duì)束進(jìn)行作用，通過(guò)它，當(dāng)束通過(guò)束操控部件時(shí)， 能夠改變一個(gè)或多個(gè)束的性質(zhì)。尤其是，束的幾何性質(zhì)易于由束操控部件 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(guò)利用合適的信號(hào)驅(qū)動(dòng)束操控部件和所包括的光學(xué)元件，光學(xué) 元件發(fā)生變形，其依次改變束操控部件的光學(xué)行為。換句話(huà)說(shuō)，束操控部 件實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)信號(hào)到光學(xué)行為的映射。用于束操控部件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自光 學(xué)鑷子系統(tǒng)。從而，提供光學(xué)鑷子系統(tǒng)來(lái)控制束操控動(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，束操控部件還包括腔室，所述腔室包含第一 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)束操控部件的操作沒(méi)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(lài)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(guò)界面控制裝置來(lái) 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) 進(jìn)行作用。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(chēng)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(chēng)的形狀也是可能的。對(duì)稱(chēng)的概念可以指旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)(例如相對(duì)于光學(xué)元件 閑置時(shí)的光軸)，或鏡面對(duì)稱(chēng)，依賴(lài)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，束操控部件包括電潤(rùn)濕透鏡，并且界面控制 裝置包括電極，所述電極布置為提供各別的電壓給所述邊緣段的每一個(gè)。
一個(gè)電潤(rùn)濕透鏡利用當(dāng)暴露于電場(chǎng)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(chǎng)起反應(yīng)。所需的電場(chǎng)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(chǎng)在電極之間呈現(xiàn)過(guò)渡。典型地，期望在不同的邊緣段之間平滑 地過(guò)渡。通過(guò)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(lài)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(guò)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)于光軸是不對(duì)稱(chēng) 地可變形的，并且界面控制裝置布置為以隨時(shí)間變化的方式不對(duì)稱(chēng)地對(duì)邊 緣段進(jìn)行作用。
相對(duì)于光軸不對(duì)稱(chēng)地可變形的光學(xué)元件的優(yōu)點(diǎn)是，以此方式束可以改 變束的橫截面形狀。如果束被聚焦，則光學(xué)元件的不對(duì)稱(chēng)的變形也導(dǎo)致不 對(duì)稱(chēng)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)不對(duì)稱(chēng)的焦點(diǎn)。由于繞束軸的不對(duì)稱(chēng)的焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)，在束的焦點(diǎn)
7處俘獲的粒子經(jīng)歷扭矩。因此，優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)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)邊緣段電極。此效果難以通過(guò)全機(jī)械
(all-mechanical)束操控裝置實(shí)現(xiàn)，因?yàn)楸仨毻ㄟ^(guò)例如電馬達(dá)的方式繞光軸 旋轉(zhuǎn)諸如變形透鏡(沿兩個(gè)主軸方向不同的透鏡曲率)的專(zhuān)門(mén)的透鏡。光 學(xué)元件的光軸規(guī)定為光學(xué)元件閑置的情形，即沒(méi)有電極施加電場(chǎng)。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性的時(shí)間模式對(duì) 界面進(jìn)行作用。
提供周期性的時(shí)間模式的優(yōu)點(diǎn)是，與通過(guò)旋轉(zhuǎn)激光束的不對(duì)稱(chēng)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。周期性的時(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(lái)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p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)明的束操控部件 可以用于采集樣品載體上的第一位置處的樣品，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(kāi)位置。其后，焦點(diǎn)回到第一位置?？梢酝ㄟ^(guò)短暫 地關(guān)斷和通過(guò)激光束來(lái)實(shí)現(xiàn)樣品的抓住和釋放?？梢栽O(shè)想其它的替代例， 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)明的另一實(shí)施例， 一種在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的束操控部件 包括至少一個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括具有可控制的折射率的材料。
以此方式，通過(guò)改變包含在光學(xué)元件內(nèi)的材料的折射率，可以更改束 操控部件的光學(xué)性質(zhì)。因?yàn)楣鈱W(xué)元件的許多光學(xué)性質(zhì)取決于實(shí)質(zhì)上形成光 學(xué)元件的材料的折射率，所以可以通過(guò)調(diào)整或改變折射率來(lái)影響那些光學(xué) 性質(zhì)。光學(xué)性質(zhì)可以例如是透鏡的焦距、棱鏡的偏轉(zhuǎn)角等。為改變材料的 折射率，無(wú)需活動(dòng)的部分，使得高的切換速度是可能的。針對(duì)具有可控制 地可變形的光學(xué)元件的束操控部件所記載的大多數(shù)性質(zhì)和優(yōu)點(diǎn)對(duì)其特征在 于具有可控制的折射率的材料的束操控部件也是有效的。
根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)實(shí)施例，材料是液晶材料。液晶材料包含在存在或不存在電場(chǎng)時(shí)變更其光學(xué)性質(zhì)的液晶分子。為了形成具有期望的光學(xué)性質(zhì) 的透鏡，需要將液晶分子導(dǎo)引到特定取向上。引起此取向的公知的材料是
聚酰亞胺。國(guó)際申請(qǐng)公開(kāi)WO 2004/059350和WO 2005/076069描述了包括 液晶的部件和可能的應(yīng)用。因此，形成光學(xué)元件或其部分的透鏡可以包括 兩個(gè)透明的基底，該基底具有設(shè)置有分別的透明電極和取向?qū)拥陌济?。?面限定元件體積，該體積填充有具有負(fù)的折射率的各向異性的液晶分子。 液晶從而具有滿(mǎn)足下述條件的橢圓折射率ne<n。x， ne<n。z，其中 是非尋 常光的折射率，n。x是在X方向偏振的尋常光的折射率，而rw是在Z方向 偏振的尋常光的折射率。對(duì)于大多數(shù)液晶，折射率實(shí)際還滿(mǎn)足下述條件 n。x=n。z=n。，其中n。是尋常光的偏振依賴(lài)的折射率。取向膜可以布置為使得 液晶分子與各個(gè)取向膜平行地取向。然而，當(dāng)在兩個(gè)電極之間提供AC或 DC電壓時(shí)，液晶分子的取向能夠傾斜90。，并且與撞擊透鏡的光相關(guān)的有 效折射率neff于是被按照下述方程降低neff= (ne+nj /2。由于折射率的 此降低，光學(xué)元件的折射本領(lǐng)減小了，并且透鏡由此增大了其焦距。此外， 通過(guò)使用可變電阻來(lái)控制電壓，能夠連續(xù)地改變焦距。實(shí)際上，透鏡呈現(xiàn) 出可變的焦距。
根據(jù)本發(fā)明的相關(guān)實(shí)施例，液晶材料是雙折射的，并且光學(xué)元件包括 電極。雙折射表示對(duì)光束的兩種偏振分量存在不同的折射率。雙折射材料 具有非尋常折射率(iO和尋常折射率(n。)，該折射率之間的差為An=ne-n。。 換句話(huà)說(shuō)，雙折射透鏡將其自己和標(biāo)準(zhǔn)透鏡區(qū)別開(kāi)是在于其具有兩個(gè)焦點(diǎn)， 通過(guò)光的偏振方向可以選擇這些焦點(diǎn)中的每一個(gè)。LC透鏡的連續(xù)切換原理 基于通過(guò)由電場(chǎng)引起的液晶分子的重取向而導(dǎo)致的對(duì)液晶介質(zhì)的折射率的 調(diào)制?？梢栽谄衩舾械耐哥R(PS透鏡)中利用雙折射。通過(guò)確保相同或 不同的波長(zhǎng)以不同的偏振入射到透鏡上，PS透鏡可以用于提供針對(duì)單個(gè)或 不同波長(zhǎng)的不同的焦點(diǎn)。
根據(jù)另一實(shí)施例，光學(xué)元件包括液晶材料層的兩段和對(duì)應(yīng)的電極。該 兩段彼此垂直地堆疊。以此方式，使得束操控部件對(duì)偏振方向不敏感。尤 其是通過(guò)使用垂直堆疊的定向器能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)。在此情況下，能夠使用非 偏振光，因?yàn)楣獾乃衅穹至侩S后都受到液晶和各向同性的介質(zhì)之間的 折射率的差的影響。
9在另一實(shí)施例中，電極是以單獨(dú)的方式可控制的。特別是在包括布置 在例如液晶材料的周?chē)脑S多電極的實(shí)施例中，可以在液晶材料的不同的 區(qū)實(shí)現(xiàn)不同的折射率?？梢岳眠@個(gè)以獲得不對(duì)稱(chēng)的透鏡。以上針對(duì)可控 制地可變形的光學(xué)元件的情況描述了不對(duì)稱(chēng)的透鏡的應(yīng)用。
在另一實(shí)施例中，電極是以時(shí)間變化的方式和/或周期的方式可控制的。 這可以用于移動(dòng)由光學(xué)鑷子系統(tǒng)俘獲的粒子。另一應(yīng)用是對(duì)粒子施加扭矩， 以引起粒子旋轉(zhuǎn)。再次，以上在包括可控制地可變形的光學(xué)元件的束操控 部件的上下文中還描述了以隨時(shí)間變化的方式可控制的電極的另外的應(yīng)用 和特性。
包括可控制地可變形的光學(xué)元件的束操控部件和包括具有可控制的折 射率的光學(xué)元件的束操控部件的共同點(diǎn)在于它們不需要機(jī)械致動(dòng)器。它們 因此可以共同地視作具有用于光束的可控制的重定向的裝置的束操控部 件。在折射元件的特殊情況下，它們也可共同地視作包括具有可控制的折 射本領(lǐng)的光學(xué)元件的束操控部件。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，光學(xué)鑷子系統(tǒng)包括如上述的束操控部件。 光學(xué)鑷子系統(tǒng)從束操控部件的無(wú)需機(jī)械元件就能夠改變激光束的方向 和焦距的能力獲益。束操控部件可以執(zhí)行在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中所需的所有基
本的束控制功能。這些基本功能包括調(diào)整焦距和移動(dòng)x-y平面中的焦點(diǎn)，x-y 平面是基本上垂直于光學(xué)鑷子系統(tǒng)的物鏡的光軸的平面。然而，某些功能 仍然可以由機(jī)械元件來(lái)執(zhí)行。此外，可以設(shè)想使用兩個(gè)或更多個(gè)根據(jù)本發(fā) 明的束操控部件，每個(gè)承擔(dān)特定的功能?？赡艿墓δ芊诸?lèi)可以是， 一個(gè)束 操控部件提供焦距調(diào)整，第二束操控部件承擔(dān)x-y平面中的偏轉(zhuǎn)，以及第三 束操控部件承擔(dān)施予不對(duì)稱(chēng)的焦點(diǎn)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)在于束操控部件比已知的機(jī)械系統(tǒng)更少受到磨損的影 響。
根據(jù)本發(fā)明的一方面， 一種操控光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束的方法，所述
光學(xué)鑷子系統(tǒng)包括可控制地可變形的光學(xué)元件，所述方法包括以下步驟 -接收用于所述激光束的操控的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)；
-通過(guò)映射所述設(shè)定點(diǎn)到所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)的函數(shù)來(lái)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
10-利用來(lái)自所述光學(xué)鑷子系統(tǒng)的所述信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述光學(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(kāi)環(huán)(即無(wú)反饋)或閉環(huán)(即有反饋)中。在多數(shù)情況下，設(shè) 定點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)于用戶(hù)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(chēng)/不對(duì)稱(chēng))?？勺冃喂鈱W(xué)元件是用于將設(shè)定點(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)定點(diǎn)信號(hào)(或從設(shè)定點(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)可以視作對(duì)通過(guò)光學(xué)元件的激 光束的作用。輸入和輸出之間的關(guān)系經(jīng)常通過(guò)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(lài)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)元件幾乎不受磨損影響，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(jiǎn)單和易于解答。
在本發(fā)明的另一方面中，設(shè)定點(diǎn)限定激光束的焦點(diǎn)的定位。該函數(shù)包 括驅(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)的 映射、變形到光學(xué)元件的至少一個(gè)光學(xué)特性的映射、以及光學(xué)特性到激光 束的至少一個(gè)參數(shù)的映射。
光學(xué)元件可以模擬為包括多個(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(lài)于驅(qū)動(dòng)信號(hào)的類(lèi)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(rùn)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(kāi)的束角或其傳播方向。
本發(fā)明的另一方面， 一種操控光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束的方法，該光學(xué) 鑷子系統(tǒng)包括光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括具有可控制的折射率的材料，所述方法包括以下步驟
-接收用于所述激光束的操控的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)；
-利用映射所述設(shè)定點(diǎn)到用于所述光學(xué)元件的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的函數(shù)
來(lái)計(jì)算所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及
-利用來(lái)自所述光學(xué)鑷子系統(tǒng)的所述信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述光學(xué)元件。 提出的方法的優(yōu)點(diǎn)是其容許控制包括具有可控制的折射率的材料的光 學(xué)元件。該控制可以提供在開(kāi)環(huán)(即無(wú)反饋)或閉環(huán)(即有反饋)中。在 多數(shù)情況下，設(shè)定點(diǎn)信號(hào)對(duì)應(yīng)于用戶(hù)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(chēng)/不對(duì)稱(chēng))。光學(xué)元件是用于將設(shè)定 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)定點(diǎn)信號(hào)(或從設(shè)定 點(diǎn)推得的信號(hào))用作用于光學(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)可以視作對(duì)通過(guò)光學(xué)元件的 激光束的作用。輸入和輸出之間的關(guān)系經(jīng)常通過(guò)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(lài)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)楣鈱W(xué)元件幾乎不受磨損的影響，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(jiǎn)單 和易于解答。
在本發(fā)明的另一方面中，設(shè)定點(diǎn)限定激光束的焦點(diǎn)的定位，其中該函 數(shù)包括信號(hào)到限定材料的折射率的值的至少一個(gè)參數(shù)的映射、折射率到
光學(xué)元件的至少一個(gè)光學(xué)特性的映射、以及光學(xué)特性到激光束的至少一個(gè) 參數(shù)的映射。
光學(xué)元件可以模擬為包括多個(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)元件內(nèi)的材料的折射率。此子系統(tǒng)的行為依賴(lài)于驅(qū)動(dòng)信號(hào) 的類(lèi)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 輸出可以是光學(xué)元件內(nèi)的材料的折射率。第二子系統(tǒng)描述光學(xué)元件的折射 率和光學(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
12三子系統(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)的范例例如是擴(kuò)展的束角或其傳播方向。
光學(xué)鑷子系統(tǒng)從利用作為束操控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?？朔诉@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 束操控的更大的靈活性。


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(chēng)的激發(fā)狀態(tài)中的圖3的光學(xué)元件；
圖5示出了在不對(duì)稱(chēng)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示出了自上部的束操控部件的范例電極部署；
圖10是圖9中描寫(xiě)的電極的電極電壓隨時(shí)間的描繪；
圖11是第一狀態(tài)的液晶透鏡的圖示；
圖12是第二狀態(tài)的液晶透鏡的圖示。
圖沒(méi)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。
具體實(shí)施例方式
圖1作為方框圖解示出了現(xiàn)有技術(shù)的光學(xué)鑷子。光學(xué)鑷子用于以高的 感應(yīng)壓力操控粒子。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
了其潛在的原理。依賴(lài)于粒子的直徑是小于還是大于所使用的光的波長(zhǎng)，使用電偶極子近似或射線(xiàn)光學(xué)途徑來(lái)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(chēng)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)象被俘獲在光束的焦點(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)了激光束路徑104和觀察光路106。激光源110產(chǎn)生激光束，激光束通 過(guò)用于方便地通過(guò)和關(guān)斷激光束的快門(mén)112。擴(kuò)束器114提供預(yù)定的束直徑。 在描寫(xiě)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(beam steerer)包括兩個(gè) 活動(dòng)反射鏡122和124，都安裝在相同的豎直桿上。需要注意，反射鏡122 及回到激光源的光路實(shí)際上垂直于豎直軸附近的反射鏡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，用于操控和齊焦化激光斑點(diǎn)的簡(jiǎn)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。將此兩個(gè)相同的平面 凸面透鏡126和128放置成以它們的焦距的和距離分開(kāi)，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)架或微操控器上。此透鏡在所有三個(gè)方 向上的運(yùn)動(dòng)近似地在相同的三維上產(chǎn)生激光焦點(diǎn)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(kāi)第二透鏡128時(shí)變得稍微發(fā)散。這將焦點(diǎn)從物鏡推開(kāi)并且較深入到樣 品中。同樣，當(dāng)透鏡126被從透鏡128拖拉開(kāi)時(shí)，離開(kāi)望遠(yuǎn)鏡而到透鏡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(kāi)透鏡128的光中產(chǎn)生偏離(其基本是束的旋轉(zhuǎn))。 如果將透鏡128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。這有透鏡128通過(guò)其在物鏡瞳孔后在2f距
14離處的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，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(zhǎng)，通常 1100nm或 850nm。分色鏡 132透射650nm以下的可見(jiàn)光。這導(dǎo)引激光束朝向顯微鏡物鏡142。因?yàn)榭?見(jiàn)光可以通過(guò)分色鏡，所以可以使用標(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IOOX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(jiǎn)單沒(méi)有描寫(xiě)像差校正裝置。
要俘獲的對(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)100需要另外的裝置， 諸如變形透鏡和用于以期望的旋轉(zhuǎn)速度旋轉(zhuǎn)變形透鏡的馬達(dá)或等同物。變 形透鏡產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)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(zhuān)門(mén)的光柵，所謂的螺旋相輪廓(helical phase profile),其 轉(zhuǎn)換螺旋模式中的TEMoo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](méi)有使用望遠(yuǎn)鏡布置來(lái)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中的束操控部件246承擔(dān)。更具 體地，束操控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，束操控部件可以放置在顯微鏡物鏡142之前。束操控部 件246可以是利用電潤(rùn)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)于給予束操控部件的命令獲得透鏡的變化的光學(xué)行為。另一選項(xiàng)是使 用包括具有可控制的折射率的材料的光學(xué)元件，如圖11和12中所描繪的。 此材料可以是液晶材料并且還可以是雙折射的。在如圖1中描寫(xiě)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)械致動(dòng)器，以控制圖1中所示的活動(dòng)的透鏡126。
圖3示出了電潤(rùn)濕透鏡300的軸平面中的截面。電潤(rùn)濕透鏡300示于
15閑置狀態(tài)中。在描寫(xiě)的形式中，其具有基本上圓柱的形式。電潤(rùn)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(rùn)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(guò)渡處。此外， 基座電極312通過(guò)容器基座302和容器壁306之間的合適的通道而從容器 的外部到內(nèi)部延伸。基座電極302的右邊描繪連接端子，通過(guò)連接端子， 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(mǎn)意的一致的電壓分布)。連接端子描繪在 壁電極316的右側(cè)，在用于基座電極312的連接端子的附近。
絕緣體322位于由壁電極316的內(nèi)部圓柱限定的開(kāi)口內(nèi)。此外，提供 疏水涂層324作為在容器的內(nèi)部在腔的頂部和側(cè)面的但是不在底部的襯里。
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(guò)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(rùn)濕透鏡越有效。通過(guò)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取向無(wú)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(guò)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(chēng)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(rùn)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(guò)透鏡的發(fā)散光線(xiàn)看出。
圖4示出了如圖3中描寫(xiě)的相同的電潤(rùn)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的連接端子。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)在相對(duì)于第二流體334以凸面的方式形成界面，所以電潤(rùn) 濕透鏡的表現(xiàn)如同平面凸面透鏡。會(huì)聚透鏡是會(huì)聚透鏡且在圖4中描繪其 對(duì)通過(guò)電潤(rùn)濕透鏡的光線(xiàn)的作用。
圖5示出了與圖3和4類(lèi)似的電潤(rùn)濕透鏡。差異是圖5中示出的電潤(rùn) 濕透鏡500的電極部署不是完全旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)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(rùn)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層324的每個(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(rùn)濕透鏡的光軸的平面傾斜。只要 彎月面是平的，電潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(guò)電潤(rùn)濕 透鏡。對(duì)于更完整的描述，參照國(guó)際專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)WO 2004/051323。
圖6示出了通過(guò)裝備有電潤(rùn)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(chēng)作后焦透鏡)。術(shù)語(yǔ)彎月面透鏡不應(yīng)當(dāng)與電潤(rùn) 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(lái)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(jiǎn)化的描繪。可以提供附加的部件，諸如像差和色度校正裝置。此外， 顯微鏡物鏡142沒(méi)有按比例繪制。電潤(rùn)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(rùn)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(guò)改變電潤(rùn)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(rùn)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(hù)可能需要一些時(shí)間來(lái)熟悉此
17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
的取向，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(rùn)濕透鏡能夠位于激光束路徑104和正交的顯微鏡光
路106 (圖2)分開(kāi)的點(diǎn)。電潤(rùn)濕透鏡于是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(rùn)濕透鏡也是可能的。于是一個(gè)電潤(rùn)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(rùn)濕透鏡提供
束偏轉(zhuǎn)。
圖7是稍微從下部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(guò)。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(lài)于F制光圈(F-stop)的設(shè)定， 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(rùn)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 O (大寫(xiě)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上部的視圖。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 的外形。激光束軸766示出為在到x軸的角度。(大寫(xiě)字母Pffl)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t，所以?xún)H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。①(Pffl)和O
18(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)査找表格也是一種選擇。
圖9是從頂部觀看的電潤(rùn)濕透鏡的示意性描繪。為簡(jiǎn)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(xiàn)。其可以是例如定義當(dāng)前彎月面形狀的最 上和最下z位置之間的中間z位置的輪廓線(xiàn)。如能夠看到的，輪廓線(xiàn)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(zhǎng)的，曲率半徑相對(duì)地高，并且反之亦然。通過(guò)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(chēng)并且隨時(shí)間旋轉(zhuǎn)?？?慮它的另一途徑是將電潤(rùn)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)抓住的粒子的不對(duì)稱(chēng)，利用諸如由電潤(rùn)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(chēng)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(chēng)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 率并且依次提供某一焦距所需要的。如上述，諸如慧差的像差己經(jīng)可以足 夠提供所需的不對(duì)稱(chēng)。因此，弱的交變電壓成分也己經(jīng)可以提供期望的效 果。
圖11示出了第一操作狀態(tài)的液晶透鏡1100的圖示。如今，基于液晶 來(lái)制造雙折射結(jié)構(gòu)是可能的。根據(jù)此方法制造的部件的范例是如WO 2004/059350中描述的雙折射透鏡。透鏡包括各向同性的形狀1132和各向 異性的形狀1134。各向同性的形狀1132呈現(xiàn)折射率rii。此操作狀態(tài)中的各 向異性的形狀的折射率是no并且通常比各向同性的形狀的折射率高。從而， 產(chǎn)生了透鏡功能。圖ll示出了特殊的情況，其中兩個(gè)折射率相等，使得ri() =niQ雙折射透鏡將其自己與標(biāo)準(zhǔn)透鏡區(qū)別開(kāi)，因?yàn)槠渚哂袃蓚€(gè)焦點(diǎn)，通過(guò)
19光的偏振方向可以選擇這些焦點(diǎn)中的每一個(gè)。s偏振光s將看到與各向同性
的形狀的折射率ni匹配的折射率n0。
圖12示出了第二操作狀態(tài)的液晶透鏡。在此情況下，p偏振光p撞擊 透鏡且各向異性的形狀1134呈現(xiàn)比n()高的折射率ne， ne>n()。透鏡1100的 切換原理是連續(xù)的。這是基于通過(guò)由電場(chǎng)引起的液晶分子的重定向而導(dǎo)致 的各向異性的形狀1134的液晶介質(zhì)的折射率的調(diào)制。
透鏡也能夠制作為對(duì)偏振方向不敏感。為達(dá)此目的，可以使用含有另 一可切換的液晶層的第二段。此第二可切換的液晶層包括垂直地堆疊的定 向器。在此情況下，能夠使用非偏振光，因?yàn)楣獾乃衅穹至侩S后都受 到液晶和各向同性的介質(zhì)之間的折射率差的影響。
雖然于此描述的系統(tǒng)基于電潤(rùn)濕透鏡，但是相同的原理也適用于基于 磁潤(rùn)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(chǎng)改變。在歐洲專(zhuān)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)中使用的束操控部件，所述束操控部件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件可控制地可變形，以響應(yīng)于來(lái)自所述光學(xué)鑷子系統(tǒng)的信號(hào)而對(duì)激光束進(jìn)行作用。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的束操控部件，還包括腔室，所述腔室包含第 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所述的束操控部件，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分別地對(duì)所述邊緣 段進(jìn)行作用。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的束操控部件，其中，所述束操控部件包括電 潤(rùn)濕透鏡，并且所述界面控制裝置包括電極，所述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)所述的束操控部件，其中，所述光學(xué) 元件存在光軸并且可相對(duì)于所述光軸不對(duì)稱(chēng)地發(fā)生變形，并且其中，所述 界面控制裝置布置為以隨時(shí)間變化的方式不對(duì)稱(chēng)地對(duì)所述邊緣段進(jìn)行作 用。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的束操控部件，其中，所述界面控制裝置布置 為以周期性的時(shí)間模式對(duì)所述界面進(jìn)行作用。
7、 一種在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的束操控部件，所述束操控部件包括至 少一個(gè)光學(xué)元件，所述光學(xué)元件包括具有可控制的折射率的材料。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的束操控部件，其中，所述材料是液晶材料。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的束操控部件，其中，所述液晶材料是雙折射 的，并且其中，所述光學(xué)元件包括電極。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的束操控部件，所述光學(xué)元件包括液晶材料 層的兩段和對(duì)應(yīng)的電極，所述段彼此垂直地堆疊。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的束操控部件，其中，所述電極是以隨時(shí)間 變化的和減周期性的方式可控制的。
12、 一種光學(xué)鑷子系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1至11的任一項(xiàng)所述的束 操控部件。
13、 一種操控包括可控制地變形的光學(xué)元件的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束 的方法，所述方法包括步驟-接收用于所述激光束的操控的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)；-利用將所述設(shè)定點(diǎn)映射到用于所述光學(xué)元件的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的函 數(shù)來(lái)計(jì)算所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及-利用來(lái)自所述光學(xué)鑷子系統(tǒng)的所述信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述光學(xué)元件。
14、 根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中， -所述設(shè)定點(diǎn)限定所述激光束的焦點(diǎn)的定位， 其中，所述函數(shù)包括-所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)到用于限定所述可控制地變形的光學(xué)元件的變形 的至少一個(gè)參數(shù)的映射，-所述變形到所述光學(xué)元件的至少一個(gè)光學(xué)特性的映射，以及 -所述光學(xué)特性到所述激光束的至少一個(gè)參數(shù)的映射。
15、 一種操控包括光學(xué)元件的光學(xué)鑷子系統(tǒng)的激光束的方法，所述光學(xué)元件包括具有可控制的折射率的材料，所述方法包括步驟 -接收用于所述激光束的操控的設(shè)定點(diǎn)信號(hào)；-利用將所述設(shè)定點(diǎn)映射到用于所述光學(xué)元件的至少一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的函數(shù)來(lái)計(jì)算所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)；以及-利用來(lái)自所述光學(xué)鑷子系統(tǒng)的所述信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)所述光學(xué)元件。
16、根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中， -所述設(shè)定點(diǎn)限定所述激光束的焦點(diǎn)的定位， 其中，所述函數(shù)包括-所述驅(qū)動(dòng)信號(hào)到用于限定所述材料的折射率的值的至少一個(gè)參 數(shù)的映射，-所述折射率到所述光學(xué)元件的至少一個(gè)光學(xué)特性的映射，以及 -所述光學(xué)特性到所述激光束的至少一個(gè)參數(shù)的映射。
全文摘要
一種在光學(xué)鑷子系統(tǒng)中使用的束操控部件，該束操控部件包括至少一個(gè)光學(xué)元件，其可控制地可變形，以響應(yīng)于來(lái)自該光學(xué)鑷子系統(tǒng)的信號(hào)而對(duì)激光束進(jìn)行作用。該束操控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)G02B3/14GK101460872SQ200780020714
公開(kāi)日2009年6月17日 申請(qǐng)日期2007年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月6日
發(fā)明者D·B·范達(dá)姆, E·J·K·費(fèi)斯特根, J·M·倫森, S·I·E·武爾托, T·J·德霍赫 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司