(57)【要約】【課題】ステージの移動を最適化できる画像取得装置およびステージ制御方法を提供する。【解決手段】本技術の一形態に係る画像取得装置は、対物レンズを有する撮像部と、前記撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージと、前記ステージに設けられた連結部と、前記連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構と、前記ステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出する位置検出部と、少なくとも前記位置検出部による検出結果を用いて、前記移動機構を制御する制御部とを具備する。【選択図】図２
2014153500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対物レンズを有する撮像部と、
前記撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージと、
前記ステージに設けられた連結部と、
前記連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構と、
前記ステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出する位置検出部と、
少なくとも前記位置検出部による検出結果を用いて、前記移動機構を制御する制御部と
を具備する画像取得装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像取得装置であって、
前記連結部は、
前記ステージから前記光軸方向に突出して設けられている
画像取得装置。
【請求項３】
請求項１に記載の画像取得装置であって、
前記移動機構は、ステッピングモータを有し、
前記制御部は、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出する位置算出部と、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と前記位置検出部により検出された位置との差分を算出する差分算出部と、
当該差分を前記ステッピングモータの制御量に変換する変換部とを有する
画像取得装置。
【請求項４】
請求項１に記載の画像取得装置であって、
前記移動機構は、ステッピングモータを有し、
前記制御部は、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出する位置算出部と、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と１周期前の前記単位時間における前記移動目標位置との差分を第１の差分として算出する第１の差分算出部と、
前記第１の差分を前記ステッピングモータの第１の制御量に変換する第１の変換部と、
前記単位時間毎に、ｎ周期（ｎは正の所定の整数）前の前記単位時間における前記移動目標位置と前記位置検出部により検出された位置との差分を第２の差分として算出する第２の差分算出部と、
当該第２の差分を前記ステッピングモータの第２の制御量に変換する第２の変換部と、
前記第１の制御量と前記第２の制御量とを合成して前記移動機構に出力する合成部とを有する
画像取得装置。
【請求項５】
対物レンズを有する撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出し、
前記ステージに設けられた連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構を、少なくとも前記検出結果を用いて制御する
ステージ制御方法。
【請求項６】
請求項５に記載のステージ制御方法であって、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出し、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と前記検出された位置との差分を算出し、
当該差分を前記移動機構に含まれるステッピングモータの制御量に変換する
ステージ制御方法。
【請求項７】
請求項５に記載のステージ制御方法であって、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出し、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と１周期前の前記単位時間における前記移動目標位置との差分を第１の差分として算出し、
前記第１の差分を前記移動機構に含まれるステッピングモータの第１の制御量に変換し、
前記単位時間毎に、ｎ周期（ｎは正の所定の整数）前の前記単位時間における前記移動目標位置と前記検出された位置との差分を第２の差分として算出し、
当該第２の差分を前記ステッピングモータの第２の制御量に変換し、
前記第１の制御量と前記第２の制御量とを合成して前記移動機構に出力する
ステージ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、デジタル顕微鏡装置において、病理スライドを載置するステージの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル顕微鏡装置では、病理スライド上の検体を撮影する際に、所望の位置を撮影するために、病理スライドを載置するステージをＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させる。また、焦点位置を合わせるために、ステージをＺ軸方向に移動させる。
【０００３】
ステージを所望の位置に正確に移動するためには、位置決め制御は重要であり、ステージの位置を正確に把握するためには、例えばリニアエンコーダやロータリエンコーダが利用されている。また、ステージを駆動するためのサーボモータや、ステッピングモータ、リニアモータなどの制御でも、様々な工夫がなされている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、ステージを駆動するサーボモータを、位置センサおよび電流検出部からの情報をフィードバックする事により制御する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２では、ステージを駆動するステッピングモータをオープンループ制御する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３では、ステージを駆動するリニアモータを、フィードフォワード制御およびフィードバック制御からなる２自由度制御系により制御する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−１２６９６４号公報
【特許文献２】特開２００７−８０６６０号公報
【特許文献３】特開２０１０−３９００４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のステッピングモータを用いたステージ駆動制御では、ステージの移動を高速かつ高精度に行うための、リニアエンコーダの取り付け位置の最適化や、位置決め制御の最適化が十分とは言えなかった。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、ステージの移動を最適化できる画像取得装置およびステージ制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る画像取得装置は、対物レンズを有する撮像部と、前記撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージと、前記ステージに設けられた連結部と、前記連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構と、前記ステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出する位置検出部と、少なくとも前記位置検出部による検出結果を用いて、前記移動機構を制御する制御部とを具備する。
【００１１】
本技術では、ステージ（Ｚステージ）の移動を行なった際、Ｚステージと移動機構を連結する連結部ではなく、Ｚステージそのものに設けられた測定点において、Ｚステージの光軸方向の位置を検出する。そのため、高精度にステージの位置を検出する事が出来、ステージ移動の最適化を行う事が出来る。
【００１２】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る画像取得装置では、前記連結部は、前記ステージから前記光軸方向に突出して設けられている構成でもよい。
【００１３】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る画像取得装置では、前記移動機構は、ステッピングモータを有し、前記制御部は、前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出する位置算出部と、前記単位時間毎に、前記移動目標位置と前記位置検出部により検出された位置との差分を算出する差分算出部と、当該差分を前記ステッピングモータの制御量に変換する変換部とを有する構成でもよい。
【００１４】
本技術では、Ｚステージを撮像位置まで時間（例えば１００ｍｓ）をかけて移動させて整定時間（例えば３０ｍｓ）の間待ってから検出したＺステージの位置のフィードバックを行うのではなく、非常に短い単位時間（例えば１ｍｓ）ごとに移動目標位置を決め整定時間無しにＺステージの位置を検出する。そのため、ステージ移動の制御時間を短縮する事が出来、ステージ移動の最適化を行う事が出来る。
【００１５】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る画像取得装置では、前記移動機構は、ステッピングモータを有し、前記制御部は、前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出する位置算出部と、前記単位時間毎に、前記移動目標位置と１周期前の前記単位時間における前記移動目標位置との差分を第１の差分として算出する第１の差分算出部と、前記第１の差分を前記ステッピングモータの第１の制御量に変換する第１の変換部と、前記単位時間毎に、ｎ周期（ｎは正の所定の整数）前の前記単位時間における前記移動目標位置と前記位置検出部により検出された位置との差分を第２の差分として算出する第２の差分算出部と、当該第２の差分を前記ステッピングモータの第２の制御量に変換する第２の変換部と、前記第１の制御量と前記第２の制御量とを合成して前記移動機構に出力する合成部とを有する構成でもよい。
【００１６】
本技術では、Ｚステージを撮像位置まで時間（例えば１００ｍｓ）をかけて移動させて整定時間（例えば３０ｍｓ）の間待ってから検出したＺステージの位置のフィードバックを行うのではなく、非常に短い単位時間（例えば１ｍｓ）ごとに移動目標位置を決め整定時間無しにＺステージの位置を検出する。さらに、フィードフォワード制御も行う。そのため、ステージ移動の制御時間を短縮し、位置制御を高精度化することにより、ステージ移動の最適化を行う事が出来る。
【００１７】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るステージ制御方法では、対物レンズを有する撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出し、前記ステージに設けられた連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構を、少なくとも前記検出結果を用いて制御する。
【００１８】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るステージ制御方法では、前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出し、前記単位時間毎に、前記移動目標位置と前記検出された位置との差分を算出し、当該差分を前記移動機構に含まれるステッピングモータの制御量に変換してもよい。
【００１９】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るステージ制御方法では、前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出し、前記単位時間毎に、前記移動目標位置と１周期前の前記単位時間における前記移動目標位置との差分を第１の差分として算出し、前記第１の差分を前記移動機構に含まれるステッピングモータの第１の制御量に変換し、前記単位時間毎に、ｎ周期（ｎは正の所定の整数）前の前記単位時間における前記移動目標位置と前記検出された位置との差分を第２の差分として算出し、当該第２の差分を前記ステッピングモータの第２の制御量に変換し、前記第１の制御量と前記第２の制御量とを合成して前記移動機構に出力してもよい。
【発明の効果】
【００２０】
以上のように、本技術によれば、ステージの移動を高速かつ高精度に行える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】Ｚステージの位置を検出する際の典型的な手法について説明するための概念図である。
【図２】Ｚステージの位置を検出する際の改善した手法について説明するための概念図である。
【図３】典型的なオープンループ制御を行う際の処理の流れについて説明するフローチャートである。
【図４】Ｚステージ４を移動させる際の位置曲線（上図）および速度曲線（下図）を表した図である。
【図５】駆動プロファイルの例を示す図である。
【図６】前図に示した駆動プロファイルにより、シーケンサ１２１から実際に出力される駆動パルスの様子を示した図である。
【図７】典型的なフィードバック制御を行う際の処理の流れについて説明するフローチャートである。
【図８】ステッピングモータのフィードバック制御を改善する制御方法を示すブロック線図である。
【図９】移動目標位置Ｒが、滑らかな時間関数の曲線で与えられている様子を示す図である。
【図１０】移動目標位置Ｒが、ステップ状に与えられている様子を示す図である。
【図１１】非常に短い周期で多くのフィードバック制御を行うことにより、振動を収束させていく様子を示したイメージ図である。
【図１２】２自由度制御による制御方法を示すブロック線図である。
【図１３】単位時間における移動目標位置Ｒと、現在の単位時間における移動目標位置と１周期前の単位時間における移動目標位置との差分である第１の差分Ｄ１と、遅延演算部１２７における遅延演算結果であるｎ周期前の単位時間における移動目標位置Ｄ２との関係を示すイメージ図である
【図１４】改善されたオープンループ制御によるステッピングモータ制御の制御方法を示すブロック線図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本技術に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では、典型的な手法とその改善方法とに分けて説明を行う。
【００２３】
［典型的なＺステージ位置の検出方法］
まず、Ｚステージの位置を検出する際の典型的な手法について説明する。図１は、Ｚステージの位置を検出する際の典型的な手法について説明するための概念図である。なお、概念図では、本実施形態における説明に関係の無い部材については省略している。
【００２４】
デジタル顕微鏡装置の顕微鏡部１００は、鏡筒１、対物レンズ２、スライド３、Ｚステージ４、連結部５、送りナット６、ボールねじ７、ステッピングモータ８、エンコーダスケール９、エンコーダセンサ１０、支柱１１、制御部１２、シーケンサ１２１を備えている。
【００２５】
鏡筒１、対物レンズ２、および撮像素子（図示せず）により撮像部が構成されている。送りナット６、ボールねじ７、およびステッピングモータ８により移動機構が構成されている。Ｚステージ４と移動機構とは、連結部５により連結されている。連結部５は、Ｚステージ４から対物レンズ２の光軸方向に突出して設けられている。エンコーダスケール９およびエンコーダセンサ１０により位置検出部が構成されている。
【００２６】
撮影対象のスライド３は、Ｚステージ４上のＸＹステージ（図示せず）上に置かれ、鏡筒１の下端に設置された対物レンズ２を介して撮像素子により撮像される。撮像の際、焦点位置を合わせるために、Ｚステージ４の光軸方向での移動が行われる。この移動は、Ｚステージ４に連結部５を介して連結された送りナット６と螺合したボールねじ７をステッピングモータ８により回転させることにより行われる。
【００２７】
ステッピングモータ８の回転量は、制御部１２内の、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）により構成されたハードウェアを含むシーケンサ１２１から与えられる駆動パルスの数と間隔により制御される。制御部１２は、連結部５に取り付けられたエンコーダスケール９の位置をエンコーダセンサ１０に読み取らせて得られた位置情報により、ステッピングモータ８に出力する駆動パルスの数と間隔を計算し、シーケンサ１２１に与える。
【００２８】
典型的な方法では、Ｚステージ４の光軸方向の位置を検出する際、連結部５の送りナット６近傍にエンコーダスケール９を設置して、間接的にＺステージ４の位置を検出していた。そのため、Ｚステージ４の移動を行った後のエンコーダセンサ１０によるエンコーダスケール９の読み取りでは連結部５の振動が減衰していることが検出されても、スライド３が乗っているＺステージ４ではまだ振動が継続しているという問題があった。スライド３が振動している状態で撮像を行うと画像の品質が劣化してしまっていた。
【００２９】
また、Ｚステージ４の位置を連結部５の位置から間接的に測定していたため、エンコーダセンサ１０により読み取った位置が所望の位置であっても、Ｚステージ４の実際の位置が所望の位置からずれてしまいかねないという問題があった。
【００３０】
［改善したＺステージ位置の検出方法］
次に、Ｚステージの位置を検出する際の改善した手法について説明する。図２は、Ｚステージの位置を検出する際の改善した手法について説明するための概念図である。なお、概念図では、本実施形態における説明に関係の無い部材については省略している。また、改善された検出方法を用いるデジタル顕微鏡装置の顕微鏡部１０１の構成要素は、典型的な検出方法を用いるデジタル顕微鏡装置の顕微鏡部１００の構成要素と同じなので、説明は省略する。
【００３１】
典型的な検出方法と改善された検出方法との違いは、エンコーダスケール９およびエンコーダセンサ１０の取り付け位置である。改善された検出方法では、エンコーダスケール９を、Ｚステージ４の、撮影を行うスライド３になるべく近い位置に設置して、Ｚステージ４の位置を直接検出する。
【００３２】
そのため、エンコーダセンサ１０により読み取ったＺステージ４の位置と、実際のＺステージ４の位置とが一致する。また、Ｚステージ４およびスライド３の振動が十分減衰したことを確認してから、スライド３の撮像を行うことが出来る。
【００３３】
以上、Ｚステージ４の位置を検出する際の、典型的な方法と改善した方法について説明した。
【００３４】
［典型的なステッピングモータの制御方法（その１）］
次に、ステッピングモータ８を制御する際の、典型的なオープンループ制御の方法について説明する。
【００３５】
オープンループ制御の流れは、以下のとおりである。図３は、典型的なオープンループ制御を行う際の処理の流れについて説明するフローチャートである。
【００３６】
まず、制御部１２がＺステージ４の現在位置と撮像を行うための目標位置（撮像位置）との差から、ステッピングモータ８によりＺステージ４を移動させるべき距離を計算する。制御部１２は、計算した距離と、ステッピングモータ８に与える１駆動パルス（１ステップ）当りのＺステージの移動距離とから、撮像位置に移動するまでに、ステッピングモータ８に与えるべき全駆動パルス数Ａを計算する（ステップＳ１）。
【００３７】
次に、制御部１２は、前ステップで計算した全駆動パルス数Ａに基づいて、図４に示す位置曲線および速度曲線に沿うような、ステッピングモータ８の駆動プロファイルを生成し、その駆動プロファイルをシーケンサ１２１に設定する（ステップＳ２）。
【００３８】
図４は、Ｚステージ４を移動させる際の位置曲線（上図）および速度曲線（下図）を表した図である。Ｚステージ４を無理なく移動させるために、速度曲線にあるように、時間ｔ＝０からｔ＝ｔ１までは、徐々にＺステージ４の移動速度を高め、加速する。一定速ｖ１に達したら、その速度をｔ＝ｔ２まで保つ。ｔ＝ｔ２からは減速し始め、ｔ＝ｔ３においてＺステージ４を停止する。停止した際の位置では、位置曲線に示すように、丁度、全駆動パルス数がＡとなっている。
【００３９】
図５は、駆動プロファイルの例を示す図である。この図にあるように、ステッピングモータ８の駆動プロファイルは、駆動パルス数とパルス間隔を組にしたテーブルである。最初の２パルスを１０ｍｓ間隔で発生させることでＺステージ４をゆっくり動かし始め、１０ｍｓから７ｍｓ、５ｍｓ、３ｍｓとパルス間隔を狭めることで、徐々にＺステージ４を加速させている。そして、再度パルス間隔を広げることで、Ｚステージ４を減速させ、停止させている。
【００４０】
次に、制御部１２は、駆動プロファイルが設定されたシーケンサ１２１をスタートさせる。シーケンサ１２１からは、ステッピングモータ８を駆動させる実際の駆動パルスが出力される（ステップＳ３）。
【００４１】
図６は、前図に示した駆動プロファイルにより、シーケンサ１２１から実際に出力される駆動パルスの様子を示した図である。この図にあるように、出力される駆動パルスは、強さは一定であるが、その間隔が時間とともに徐々に狭まり、再度徐々に広まっていく。
【００４２】
最後に、シーケンサ１２１は、駆動プロファイルに設定された駆動パルスの出力を終了すると停止する（ステップＳ４）。
【００４３】
以上が、ステッピングモータ８を制御する際の、典型的なオープンループ制御の方法である。
【００４４】
この典型的な方法の問題点は、Ｚステージ４の現在位置と撮像位置との差が大きいと、移動させるべき距離が大きくなり、全駆動パルス数Ａが大きくなってしまう事である。全駆動パルス数Ａが大きくなると、駆動プロファイルのテーブルが大きくなり、シーケンサ１２１のリソース消費量が増大してしまっていた。
【００４５】
［典型的なステッピングモータの制御方法（その２）］
次に、ステッピングモータ８を制御する際の、典型的なフィードバック制御の方法について説明する。
【００４６】
ステッピングモータを用いるシステムでは、１つの駆動パルス（ステップ）により駆動する距離（角度）とステッピングモータに与える総パルス（ステップ）数とから、所望の距離（角度）だけ移動が行われることを前提にしている。しかし、機械系のバックラッシや摩擦などの影響により実際に移動した位置が所望した位置になるとは限らない。
【００４７】
そこで、所望した位置に高精度に位置決めを行う必要があるシステムでは、以下に示すように、一連のシーケンスが１回終了するごとに、エンコーダなどの位置検出手段により、Ｚステージ４の位置などの制御量を測定し、ずれ量をフィードバックする必要がある。
【００４８】
フィードバック制御の流れは、以下のとおりである。図７は、典型的なフィードバック制御を行う際の処理の流れについて説明するフローチャートである。
【００４９】
まず、制御部１２がＺステージ４の現在位置と撮像位置との差から、ステッピングモータ８によりＺステージ４を移動させるべき距離を計算する。制御部１２は、計算した距離と、ステッピングモータ８に与える１駆動パルス（ステップ）当りのＺステージの移動距離とから、撮像位置に移動するまでに、ステッピングモータ８に与えるべき全駆動パルス数Ａを計算する（ステップＳ１０）。
【００５０】
次に、制御部１２は、前ステップで計算した全駆動パルス数Ａに基づいて、ステッピングモータ８の駆動プロファイルを生成し、その駆動プロファイルをシーケンサ１２１に設定する（ステップＳ１１）。
【００５１】
次に、制御部１２は、駆動プロファイルが設定されたシーケンサ１２１をスタートさせる。シーケンサ１２１からは、ステッピングモータ８を駆動させる実際の駆動パルスが出力される（ステップＳ１２）。
【００５２】
次に、シーケンサ１２１は、駆動プロファイルに設定された駆動パルスの出力を終了すると停止する（ステップＳ１３）。
【００５３】
次に、制御部１２は、Ｚステージ４の振動が収まるまで、制御量の整定待ちを行う（ステップＳ１４）。
【００５４】
次に、制御部１２は、エンコーダスケール９およびエンコーダセンサ１０を用いて、Ｚステージ４の位置、すなわち制御量の測定を行う（ステップＳ１５）。
【００５５】
次に、制御部１２は、測定したＺステージ４の位置と、撮像位置との差が、予め定められた基準値より小さいか否かを判定する（ステップＳ１６）。
【００５６】
測定したＺステージ４の位置と、撮像位置との差が、予め定められた基準値より小さい場合、制御部１２は、制御処理を終了する（ステップＳ１７）。
【００５７】
測定したＺステージ４の位置と、撮像位置との差が、予め定められた基準値以上の場合、制御部１２は、測定したＺステージ４の位置と、撮像位置との差分に適切なゲインを乗じて補正量を計算しフィードバックする（ステップＳ１８）。
【００５８】
補正量のフィードバック後、制御部１２は、ステップＳ１０に戻って、制御処理を継続する。
【００５９】
以上が、ステッピングモータ８を制御する際の、典型的なフィードバック制御の方法である。
【００６０】
実際の移動量と必要な時間の例としては、例えば、Ｚステージ４を１ｍｍ移動させる場合、ステップＳ１２でシーケンサ１２１をスタートさせてから、ステップＳ１３でシーケンスを終了するまで１００ｍｓ程度かかる。そして、ステップＳ１４の整定待ちでは短くても２５ｍｓから３０ｍｓほど時間を要する。
【００６１】
この典型的な方法における問題点は、一度のフィードバックループ内に、撮像位置に移動するまでの全駆動パルスのシーケンスと、制御量を測定するための整定待ち時間とが含まれることである。そのため、複数回フィードバックループを回すと、撮像位置に移動するまでの制御に要する時間がかなり長くなってしまっていた。
【００６２】
また、フィードバック制御を行う場合でも、上述したオープンループ制御の場合と同じく、Ｚステージ４の現在位置と撮像位置との差が大きいと、駆動プロファイルのテーブルが大きくなり、シーケンサ１２１のリソース消費量が増大してしまう問題点が残っていた。
【００６３】
［改善したステッピングモータの制御方法（その１）］
次に、ステッピングモータのフィードバック制御を改善する方法について説明する。以下で説明するステッピングモータのフィードバック制御方法は、上述したシーケンサ１２１の過大なリソース消費量と、長大な制御時間を劇的に改善するものである。
【００６４】
図８は、本制御方法を示すブロック線図である。本制御方法の特徴は、典型的なフィードバック制御では、１回のフィードバック制御に例えば１３０ｍｓ以上要していたのに対し、１回のフィードバック制御を例えば１ｍｓという非常に短い周期（単位時間）で多数回行う事である。
【００６５】
この制御では、制御部１２は、位置算出部１２２、差分算出部１２３、変換部１２４を備えている。
【００６６】
位置算出部１２２には、Ｚステージ４を最終的に移動させるべき位置である撮像位置の情報が入力される。位置算出部１２２には、入力された撮像位置から、単位時間（例えば１ｍｓ）経過後にＺステージ４があるべき位置を、移動目標位置Ｒとして算出する。
【００６７】
移動目標位置は、１つの単位時間後の位置のみが求められるのではなく、撮像位置に達するまでの単位時間毎の移動目標位置が系列として求められる。そして、位置算出部１２２は、単位時間毎に、その単位時間における移動目標位置１個を差分算出部１２３に出力する。
【００６８】
差分算出部１２３は、移動目標位置Ｒの情報とエンコーダセンサ１０により検出された現在位置Ｃとの差分を誤差量Ｅとして算出する。算出した誤差量Ｅは、変換部１２４に出力される。なお、差分算出部１２３は、一般的なブロック線図における加え合わせ点に相当する。
【００６９】
変換部１２４は、入力された誤差量ＥにゲインＧを乗じて、ステップ数（制御量）Ｓに変換する。ステップ数Ｓは、制御対象Ｇにおいて、シーケンサ１２１、ドライバ、ステッピングモータ８により処理され、Ｚステージ４の移動が行われる。Ｚステージ４の移動位置（Output Position）は、エンコーダセンサ１０により現在位置Ｃに変換された後、差分算出部１２３へフィードバックされる。
【００７０】
この制御方法では、単位時間（例えば１ｍｓ）ごとに必要なステップ数のみが計算され、シーケンサ１２１には、この単位時間の間に必要な駆動プロファイルのみが設定される。それ故、シーケンサ１２１に含まれるＦＰＧＡにより構成されたハードウェアのリソースの過度な消費を防止することが出来る。
【００７１】
駆動プロファイルの具体例としては、例えばステップ数として５ステップが必要であると計算された場合、単位時間である１ｍｓを５分割して２００μｓごとに５つの駆動パルスを出力する駆動プロファイルのみを生成し設定すればよい。
【００７２】
制御部１２は、誤差量Ｅを単位時間（例えば１ｍｓ）ごとに監視し、ある一定時間（例えば２５ｍｓ、すなわちフィードバックループを２５回まわす間）、連続して誤差量Ｅが基準値以下であれば、収束範囲に入っているとして制御処理を終了する。
【００７３】
なお、変換部１２４において誤差量ＥにゲインＧを乗じた結果は小数を含む値となるが、ステップ数Ｓは整数として取り出す必要がある。そこで、変換部１２４では、ΔΣ変調などにより小数部分の打ち切り誤差を軽減するためのソフトウェアを実装する必要がある。
【００７４】
なお、位置算出部１２２が算出する移動目標位置Ｒは、図９に示すように滑らかな時間関数の曲線で与えられてもよいし、図１０に示すようにステップ状に与えられてもよい。
【００７５】
この制御方法では、制御量を測定する前の整定時間を設けない代わりに、非常に短い周期で多くのフィードバック制御を行うことにより、Ｚステージ４の振動による位置測定の誤差を収束させることが出来る。
【００７６】
図１１は、非常に短い周期で多くのフィードバック制御を行うことにより、振動を収束させていく様子を示したイメージ図である。図中、振動している実線が実際のＺステージ４の位置を示し、滑らかな点線が移動目標位置Ｒを示している。
【００７７】
以上、ステッピングモータのフィードバック制御を改善する方法について説明した。
【００７８】
［改善したステッピングモータの制御方法（その２）］
次に、ステッピングモータの制御を更に改善する方法について説明する。以下で説明するステッピングモータの制御方法も、上述したシーケンサ１２１の過大なリソース消費量と、長大な制御時間を劇的に改善するものである。
【００７９】
図１２は、本制御方法を示すブロック線図である。本制御方法の特徴は、上記の改善方法と同じく、１回のフィードバック制御を例えば１ｍｓという非常に短い周期（単位時間）で多数回行う事に加えて、フィードフォワード制御も加えた２自由度制御を行う事である。そのため、上記のフィードバック制御のみを行う改善方法による制御の高速化、高精度化に比べ、制御の更なる高速化と高精度化を行う事が出来る。
【００８０】
本制御方法は、制御対象Ｇにおいて、ステップ数Ｓを入力してからＺステージ４の移動位置（Output Position）が出力されるまでの、伝達特性が１階の積分特性を有しており、離散系なので、ラプラス変換した際の伝達関数が１／（ｚ−１）と簡略的にモデル化できる事に基づいている。ｚは、遅延演算子である。
【００８１】
また、本制御系では、数周期分の制御のディレイが見込まれるので、伝達関数は、１／（ｚ−１）／ｚ＾ｎと表せる。ｎは、０以上の整数であり、本制御系の応答が最良となる値を実験的に選べばよい。
【００８２】
この制御では、制御部１２は、位置算出部１２２、第１の差分算出部１２５、第１の変換部１２６、遅延演算部１２７、第２の差分算出部１２８、第２の変換部１２９、合成部１３０を備えている。
【００８３】
位置算出部１２２の役割は、上述したフィードバック制御の改善手法のものと同じなので説明は省略する。
【００８４】
第１の差分算出部１２５は、現在の単位時間における移動目標位置と、１周期前の単位時間における移動目標位置との差分を第１の差分Ｄ１として算出し、第１の変換部１２６に出力する。第１の差分算出部１２５における伝達関数は、（ｚ−１）／ｚと表される。
【００８５】
第１の変換部１２６は、第１の差分算出部１２５から得た第１の差分Ｄ１に適切なゲインを乗じて、ステッピングモータ８を駆動するための第１の制御量（ステップ数）に変換し、合成部１３０に出力する。
【００８６】
遅延演算部１２７は、位置算出部１２２からの出力である移動目標位置Ｒの信号を遅延させ、ｎ周期前の単位時間における移動目標位置Ｄ２を第２の差分算出部１２７に出力する。遅延演算部１２７における遅延演算の伝達関数は、１／ｚ＾（ｎ＋１）と表される。
【００８７】
第２の差分算出部１２７は、遅延演算部１２７から出力されたｎ周期前の単位時間における移動目標位置Ｄ２と、エンコーダセンサ１０により検出された現在位置Ｃとの差分を、第２の差分として算出する。算出した第２の差分は、第２の変換部に出力される。
【００８８】
第２の変換部１２９は、第２の差分算出部１２８から得た第２の差分に適切なゲインを乗じて、ステッピングモータ８を駆動するための第２の制御量（ステップ数）に変換し、合成部１３０に出力する。
【００８９】
合成部１３０は、第１の変換部１２６から出力された第１の制御量と、第２の変換部１２９から出力された第２の制御量とを合成し、移動機構に含まれるステッピングモータ８を実際に駆動するステップ数を生成する。生成したステップ数は、制御対象Ｇに出力される。
【００９０】
図１３は、単位時間（例えば１ｍｓ）における移動目標位置Ｒと、現在の単位時間における移動目標位置と１周期前の単位時間における移動目標位置との差分である第１の差分Ｄ１と、遅延演算部１２７における遅延演算結果であるｎ周期前の単位時間における移動目標位置Ｄ２との関係を示すイメージ図である。
【００９１】
以上、２自由度制御を用いてステッピングモータの制御を更に改善する方法について説明した。
【００９２】
［改善したステッピングモータの制御方法（その３）］
次に、オープンループ制御によるステッピングモータ制御の改善方法について説明する。以下で説明するステッピングモータの制御方法は、上述したシーケンサ１２１の過大なリソース消費量を劇的に改善するものである。
【００９３】
図１４は、本制御方法を示すブロック線図である。本制御方法の特徴は、上記の改善方法と同じく、１回のフィードバック制御を例えば１ｍｓという非常に短い周期（単位時間）で多数回行う事である。
【００９４】
機械系のバックラッシや摩擦などの影響により、実際にＺステージ４を移動した位置が所望した位置と多少ずれても問題が無い場合は、フィードバック部分、すなわちエンコーダスケール９とエンコーダセンサ１０を省きオープンループ制御を行うことが出来る。
【００９５】
本制御方法では、典型的なオープンループ制御の方法と異なり、撮像位置までの総駆動パルス数Ａを駆動プロファイルとしてシーケンサ１２１に設定するのではなく、単位時間（例えば１ｍｓ）経過後の移動目標位置Ｒまでの移動距離をシーケンサ１２１に設定する。そのため、シーケンサ１２１のＦＰＧＡで構成されるハードウェアのリソース消費を抑えることが出来る。
【００９６】
この制御では、制御部１２は、位置算出部１２２、第１の差分算出部１２５、および第１の変換部１２６を備えている。位置算出部１２２、第１の差分算出部１２５、および第１の変換部１２６の役割は、上述した２自由度制御による制御方法のものと同じなので、説明は省略する。
【００９７】
本制御系では、現在の単位時間における移動目標位置と１周期前の単位時間における移動目標位置との差分である第１の差分Ｄ１を第１の差分算出部１２５において算出し、第１の変換部１２６において、第１の制御量（ステップ数）に変換する。変換した第１の制御量（ステップ数）を制御対象Ｇに入力して、Ｚステージ４の移動を行っている。すなわち、制御系の実装を、位置算出部１２２、第１の差分算出部１２５、および第１の変換部１２６のみの実装により行う事が出来るため、製造コストの削減を行うことが出来る。
【００９８】
以上、オープンループ制御によるステッピングモータ制御の改善方法について説明した。
【００９９】
［補足事項］
その他、本技術は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【０１００】
［本技術の別の構成］
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
（１）
対物レンズを有する撮像部と、
前記撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージと、
前記ステージに設けられた連結部と、
前記連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構と、
前記ステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出する位置検出部と、
少なくとも前記位置検出部による検出結果を用いて、前記移動機構を制御する制御部と
を具備する画像取得装置。
（２）
前記（１）に記載の画像取得装置であって、
前記連結部は、
前記ステージから前記光軸方向に突出して設けられている
画像取得装置。
（３）
前記（１）または（２）に記載の画像取得装置であって、
前記移動機構は、ステッピングモータを有し、
前記制御部は、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出する位置算出部と、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と前記位置検出部により検出された位置との差分を算出する差分算出部と、
当該差分を前記ステッピングモータの制御量に変換する変換部とを有する
画像取得装置。
（４）
前記（１）または（２）に記載の画像取得装置であって、
前記移動機構は、ステッピングモータを有し、
前記制御部は、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出する位置算出部と、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と１周期前の前記単位時間における前記移動目標位置との差分を第１の差分として算出する第１の差分算出部と、
前記第１の差分を前記ステッピングモータの第１の制御量に変換する第１の変換部と、
前記単位時間毎に、ｎ周期（ｎは正の所定の整数）前の前記単位時間における前記移動目標位置と前記位置検出部により検出された位置との差分を第２の差分として算出する第２の差分算出部と、
当該第２の差分を前記ステッピングモータの第２の制御量に変換する第２の変換部と、
前記第１の制御量と前記第２の制御量とを合成して前記移動機構に出力する合成部とを有する
画像取得装置。
（５）
対物レンズを有する撮像部の撮像対象である病理スライドの、前記対物レンズの光軸方向の位置を定めるステージに予め設定された測定点を対象に、前記ステージの前記光軸方向の位置を検出し、
前記ステージに設けられた連結部を介して前記ステージと連結され、前記ステージを前記光軸方向に移動させる移動機構を、少なくとも前記検出結果を用いて制御する
ステージ制御方法。
（６）
前記（５）に記載のステージ制御方法であって、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出し、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と前記検出された位置との差分を算出し、
当該差分を前記移動機構に含まれるステッピングモータの制御量に変換する
ステージ制御方法。
（７）
前記（５）に記載のステージ制御方法であって、
前記ステージを前記病理スライドの撮像が行われる撮像位置に移動させるために必要な時間より短い単位時間毎の移動目標位置の系列を算出し、
前記単位時間毎に、前記移動目標位置と１周期前の前記単位時間における前記移動目標位置との差分を第１の差分として算出し、
前記第１の差分を前記移動機構に含まれるステッピングモータの第１の制御量に変換し、
前記単位時間毎に、ｎ周期（ｎは正の所定の整数）前の前記単位時間における前記移動目標位置と前記検出された位置との差分を第２の差分として算出し、
当該第２の差分を前記ステッピングモータの第２の制御量に変換し、
前記第１の制御量と前記第２の制御量とを合成して前記移動機構に出力する
ステージ制御方法。
【符号の説明】
【０１０１】
１…鏡筒
２…対物レンズ
３…スライド
４…Ｚステージ
５…支持部
６…送りナット
７…ボールねじ
８…ステッピングモータ
９…エンコーダスケール
１０…エンコーダセンサ
１１…支柱
１２…制御部
１００…顕微鏡部（典型的な方法）
１０１…顕微鏡部（改善した方法）
１２１…シーケンサ
１２２…位置算出部
１２３…差分算出部
１２４…変換部
１２５…第１の差分算出部
１２６…第１の変換部
１２７…遅延演算部
１２８…第２の差分算出部
１２９…第２の変換部
１３０…合成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014153500.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2014153500.tif 000013
【図１２】
2014153500.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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