(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に磁性微粒子を含む流体が存在する観察セルと、
前記観察セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、
前回撮像された画像における追尾の対象の磁性微粒子である追尾粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して、追尾粒子を追尾する追尾部と、
前記撮像装置で撮像された画像を表示装置に表示するとともに、前記表示装置に表示される画像上で前記追尾部が追尾した追尾粒子にマークを表示する表示処理部と、
前記観察セルが存在する観察領域内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、
前記観察セル内の流体が静止した状態で、追尾粒子を所定の目標位置に把持させる磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部と、
前記撮像装置で異なる方向から撮像された追尾粒子の複数の画像から求めた当該追尾粒子の体積と、前記粒子移動制御部が求めた制御値から求めた当該追尾粒子に与えられる重力と、前記観察領域に磁性微粒子が配置されない状態で予め測定された前記観察領域の磁界分布とを利用して当該追尾粒子の磁気特性を求める特性演算部と、
を備えることを特徴とする粒子観察装置。
【請求項２】
前記観察領域の磁界分布を測定する磁気計測装置をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の粒子観察装置。
【請求項３】
前記粒子移動制御部は、静止した追尾粒子を前記目標位置で回転させる磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の粒子観察装置。
【請求項４】
前記撮像装置は、異なる方向から追尾粒子を撮像する複数のカメラを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の粒子観察装置。
【請求項５】
前記粒子移動制御部は、追尾粒子を追尾する前段階に追尾粒子を確認するための制御値として矩形波の電流を前記磁力発生部に出力することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の粒子観察装置。
【請求項６】
内部に磁性微粒子を含む流体が存在する観察セルと、
前記観察セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、
前回撮像された画像における追尾の対象の磁性微粒子である追尾粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して、追尾粒子を追尾する追尾部と、
前記撮像装置で撮像された画像を表示装置に表示するとともに、前記表示装置に表示される画像上で前記追尾部が追尾した追尾粒子にマークを表示する表示処理部と、
前記観察セルが存在する観察領域内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、
追尾粒子を所定の目標位置に把持させる磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部と、
前記粒子移動制御部が求めた制御値を利用して追尾粒子に作用する作用力を求めて出力する作用力演算部と、を備え、
前記粒子移動制御部は、追尾粒子を追尾する前段階に追尾粒子を確認するための制御値として矩形波の電流を前記磁力発生部に出力することを特徴とする粒子観察装置。
【請求項７】
前記演算部は、求めた磁性微粒子の断面積が所定値であるとき、この磁性微粒子を追尾粒子と決定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１記載の粒子観察装置。
【請求項８】
前記観察セルへ供給する流体の流速を調整するポンプを備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１記載の粒子観察装置。
【請求項９】
内部に磁性微粒子を含む流体が存在する観察セルと、
前記観察セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、
前記演算部で演算された各磁性微粒子の座標と断面積とを蓄積した追尾データを記憶する記憶部と、
前記追尾データに含まれる磁性微粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積を比較して、各磁性微粒子の軌跡を求める追尾部と、
前記撮像装置で撮像された画像を表示装置に表示するとともに、前記表示装置に表示される画像上で各磁性微粒子の軌跡を磁気勾配として表示する表示処理部と、
を備えることを特徴とする粒子観察装置。
【請求項１０】
磁気勾配の大きさ及び向きを算出し、算出した値を表示処理部に出力する勾配演算部をさらに備えることを特徴とする請求項９記載の粒子観察装置。
【請求項１１】
内部で磁性微粒子が制御される制御セルと、
前記制御セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、
前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、
前回撮像された画像における制御の対象の磁性微粒子である対象粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して対象微粒子を追尾する追尾部と、
前記制御セル内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、
前記制御セル内で対象粒子の位置を移動させて制御する磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部と、
を備えることを特徴とするマニピュレート装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中の粒子を観察する観察装置、粒子を分離する分離装置及び粒子を制御するマニピュレート装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ドラッグデリバリー等で磁性体の微粒子の利用について研究開発され、磁性微粒子の観察や制御についても研究開発が進められている。これに対し、微粒子の扱いが困難であるため、微粒子について制御だけでなく、観察も困難である。
【０００３】
例えば、磁性体の観察には、磁力支持天秤が利用されている。磁力支持天秤を利用した方法では、観察対象である磁性体を内部に有する模型を空間中に電磁力で非接触で静止させ、外力と電磁力をつり合わせて既知の電磁力から外力を把握している（例えば、特許文献１参照）。ここで、磁力支持天秤の観察対象となる磁性体は、具体的には、軟磁性体や永久磁石である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４００１２３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、この磁力支持天秤を利用した方法でも、目視で観察できないようなμｍオーダーやｎｍオーダの磁性微粒子を観察することは困難であった。また、磁界をかけながらこのような磁性微粒子の磁気特性や駆動特性を観察することが困難であるため、磁性微粒子を制御することはさらに困難であった。
【０００６】
さらに、磁力支持天秤を利用して観察対象とする磁性体が軟磁性体の場合、永久磁石のようにＮ極とＳ極が固定されていない。したがって、外部磁界の方向によって磁気モーメントが回転し、Ｎ極とＳ極の位置が変化し、軟磁性体を回転させずに静止させることが難しく、観察が困難であった。
【０００７】
上記課題に鑑み、磁性微粒子を容易に観察する粒子観察装置、磁性微粒子を分離する分離装置及び磁性微粒子を制御するマニピュレート装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明に係る粒子観察装置は、内部に磁性微粒子を含む流体が存在する観察セルと、前記観察セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、前回撮像された画像における追尾の対象の磁性微粒子である追尾粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して、追尾粒子を追尾する追尾部と、前記撮像装置で撮像された画像を表示装置に表示するとともに、前記表示装置に表示される画像上で前記追尾部が追尾した追尾粒子にマークを表示する表示処理部と、前記観察セルが存在する観察領域内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、前記観察セル内の流体が静止した状態で、追尾粒子を所定の目標位置に把持させる磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部と、前記撮像装置で異なる方向から撮像された追尾粒子の複数の画像から求めた当該追尾粒子の体積と、前記粒子移動制御部が求めた制御値から求めた当該追尾粒子に与えられる重力と、前記観察領域に磁性微粒子が配置されない状態で予め測定された前記観察領域の磁界分布とを利用して当該追尾粒子の磁気特性を求める特性演算部とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る粒子観察装置は、内部に磁性微粒子を含む流体が存在する観察セルと、前記観察セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、前回撮像された画像における追尾の対象の磁性微粒子である追尾粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して、追尾粒子を追尾する追尾部と、前記撮像装置で撮像された画像を表示装置に表示するとともに、前記表示装置に表示される画像上で前記追尾部が追尾した追尾粒子にマークを表示する表示処理部と、前記観察セルが存在する観察領域内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、追尾粒子を所定の目標位置に把持させる磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部と、前記粒子移動制御部が求めた制御値を利用して追尾粒子に作用する作用力を求めて出力する作用力演算部と、を備え、前記粒子移動制御部は、追尾粒子を追尾する前段階に追尾粒子を確認するための制御値として矩形波の電流を前記磁力発生部に出力することを特徴とする。
また、本発明に係る粒子観察装置は、内部に磁性微粒子を含む流体が存在する観察セルと、前記観察セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、前記演算部で演算された各磁性微粒子の座標と断面積とを蓄積した追尾データを記憶する記憶部と、前記追尾データに含まれる磁性微粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積を比較して、各磁性微粒子の軌跡を求める追尾部と、前記撮像装置で撮像された画像を表示装置に表示するとともに、前記表示装置に表示される画像上で各磁性微粒子の軌跡を磁気勾配として表示する表示処理部とを備えることを特徴とする。
さらに、本発明に係るマニピュレート装置は、内部で磁性微粒子が制御される制御セルと、前記制御セル内の磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、前回撮像された画像における制御の対象の磁性微粒子である対象粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して対象微粒子を追尾する追尾部と、前記制御セル内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、
前記制御セル内で対象粒子の位置を移動させて制御する磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部とを備えることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る分離装置は、複数の流路を備え、流入部から流入した流体を各流路に備えられる複数の流出部から流出する分離セルと、前記分離セル内の流体が含む磁性微粒子の画像を連続して撮像する撮像装置と、前記撮像装置で撮像された画像から磁性微粒子の座標と断面積を求める演算部と、前回撮像された画像における分離の対象の磁性微粒子である対象粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から前記演算部で求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して対象粒子を追尾する追尾部と、前記分離セル内の磁界を調整可能な磁力線を発生させる磁力発生部と、前記追尾部で追尾される対象粒子を対象粒子流出用の流出部まで移動させる磁力線を発生させる制御値を出力して前記磁力発生部を制御する粒子移動制御部とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、移動する粒子を容易に観察し、分離し、又は制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態に係る粒子観察装置の全体構成図である。
【図２】観察セルの観察部近傍の左側面図である。
【図３】コイルから発生する磁力線の一例を説明する図である。
【図４】別のコイルから発生する磁力線の一例を説明する図である。
【図５】追尾観察処理の一例を説明するフローチャートである。
【図６】作用力観察処理の一例を説明するフローチャートである。
【図７】粒子観察装置で撮影された画像群の一例である。
【図８】粒子観察装置で撮影された画像群の他の例である。
【図９】観察対象の粒子の座標変化を表す図である。
【図１０】コイルに与えられる電流量の変化を表す図である。
【図１１】粒子に作用する力の変化を説明する図である。
【図１２】第２実施形態に係る粒子観察装置の全体構成図である。
【図１３】特性観察処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１４】第３実施形態に係る粒子観察装置の全体構成図である。
【図１５】磁気勾配観察処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１６】第４実施形態に係る分離装置の全体構成図である。
【図１７】セルの一例の概略図である。
【図１８】分離処理の一例を説明するフローチャートである。
【図１９】第５実施形態に係るマニピュレート装置の全体構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、図面を参照して、本発明の各実施形態について説明する。以下の説明において、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００２４】
〈第１実施形態〉
図１及び図２を用いて、第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａについて説明する。第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａは、液体（流体）１０２中の粒子１０１を観察するものである。この粒子１０１は、磁性体の粒子である。また、粒子１０１は微粒子であり、例えば、１μｍ以下の粒子である。
【００２５】
図１は、第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａの全体構成図であり、図２は、粒子観察装置１Ａの観察セル２の観察部２２近傍の左側面図である。なお、図１における点線で結んだ観察部２２近傍の図は、正面図である。以下の説明において、図１の矢印で示す上下左右を、点線枠内の上下左右方向とする。また、図１の紙面表方向を、点線枠内の前方とする（図２参照）。
【００２６】
図１に示すように、粒子観察装置１Ａは、観察セル２と、光照射部３と、粒子移動部４と、撮像装置５と、処理装置６Ａと、表示装置８と、制御装置９とを備えている。
【００２７】
観察セル２は、観察対象の粒子１０１とともに、液体１０２を流すためのものである。観察セル２は、光を透過可能な樹脂又はガラスからなる。図２に示すように、観察セル２は、流入部２１と、観察部２２と、流出部２３とを有する。流入部２１、観察部２２及び流出部２３は、一体的に構成されている。流入部２１、観察部２２及び流出部２３には、流体の流路が一連に形成されている。粒子１０１を含む液体１０２は、流入部２１、観察部２２、流出部２３へと流れる。また、流入部２１にはポンプ２４が接続されており、ポンプ２４によって観察セル２に送り込む液体１０２の流速をコントロールすることが可能である。図２に示す例では、観察部２２は、正面視にて長方形状に形成されている。
【００２８】
光照射部３は、観察セル２の観察部２２の粒子１０１にシート状の光Ｌｂを照射するものである。光照射部３は、発光部３１と、ビームエキスパンダ３２と、反射部材３３と、受光部３４とを備えている。
【００２９】
発光部３１は、粒子１０１を照射するため光Ｌａの光源である。発光部３１には、例えば、ハロゲンランプ等の白色光源、又はレーザ光源を利用することができる。白色光源を利用した場合、粒子の輪郭が明りょうとなり、粒子１０１の断面積をより正確に求めることができるが、粒子径ｎｍの粒子は光の波長とカメラの解像度の問題により観察することはできない。これに対し、レーザ光源を利用した場合、粒子１０１からの散乱光により粒子１０１が粒子径より大きく見えるようになるため、断面積を正確に特定することはできないが、粒子径ｎｍの粒子の位置を観察することができる。したがって、粒子観察装置１Ａでは、目的に応じて白色光源又はレーザ光源を選択して発光部３１に使用する。
【００３０】
ビームエキスパンダ３２は、発光部３１としてレーザ光源を使用した場合に線状の光Ｌａを一方向に広げるためのものである。これにより、光Ｌａは、左右方向に一定の幅を有するシート状の光Ｌｂとなって観察部２２を照射する。なお、発光部３１としてレーザ光源を使用する場合であって、線状の光Ｌｂを粒子１０１に照射する場合、ビームエキスパンダ３２は不要である。また、発光部３１として、ハロゲンランプ等の白色光源を使用する場合、光Ｌｂに指向性があまりないため、ビームエキスパンダ３２は不要である。仮に、白色光源を発光部３１として利用する場合、ビームエキスパンダ３２に加え、コリメータレンズを利用する必要がある。
【００３１】
反射部材３３は、右方向に進行する光Ｌｂを観察部２２が配置された下方へと反射するものである。この結果、シート状の光Ｌｂが、観察部２２を明るく照らす。
【００３２】
受光部３４は、観察部２２を透過した光Ｌｂを受光して検出信号を制御装置９へと出力するためのものである。光Ｌｂが観察部２２の所望位置からずれている場合、制御装置９は、この検出信号に基づいて、光Ｌｂのずれを検出して、発光部３１の方向を調整する。これにより、光Ｌｂが、観察部２２の所望の領域を照らす。
【００３３】
粒子移動部４は、磁場によって強磁性体の粒子を停止または運動させるものである。粒子移動部４は、４組のコイル４１、４２、４３、４４及びコイル電源４５、４６、４７、４８を備えた電磁石である。
【００３４】
４個のコイル４１〜４４は、それぞれ観察セル２の観察部２２上左下右の４方向に配置されている。コイル４１〜４４は、電流が供給されると、観察部２２へと磁力線１０３を発生させる。具体的には、図３に示すように、コイル４１は、上下方向の磁力線１０３を発生させる。これにより、コイル４１に吸引される方向（上向き）の磁力が、強磁性体の粒子１０１に作用する。また、図４に示すように、コイル４２は、左右方向の磁力線１０３を発生させる。これにより、コイル４２に吸引される方向（左向き）の磁力が強磁性体の粒子１０１に作用する。
【００３５】
４個のコイル電源４５〜４８は、それぞれ異なるコイル４１〜４４に接続されている。コイル電源４５〜４８は、コイル４１〜４４に磁力線を発生させる電流を供給する。
【００３６】
撮像装置５は、光Ｌｂが照射された粒子１０１を撮像するためのものである。撮像装置５は、例えば、高速撮影可能なＣＭＯＳカメラからなる。図２に示すように、撮像装置５は、観察部２２の中央部の前方に配置されている。なお、図１における撮像装置５の位置は便宜上記載しているのであって、実際の位置とは異なる。撮像装置５は、シート状の光Ｌｂが粒子１０１によってレイリー散乱された光によって観察部２２の粒子１０１の暗視野像を撮像する。撮像装置５は、所定の時間間隔（以下、撮像間隔）ＴＩで粒子１０１を連続して撮像する。撮像装置５は、撮像した粒子１０１の画像データを処理装置６Ａへと出力する。例えば、発光部３１が光Ｌｂをパルス発振する場合、撮像装置５は、パルス発振される光Ｌｂと同期して粒子１０１を撮像する。
【００３７】
処理装置６Ａは、撮像装置５によって撮像されて入力した粒子１０１の画像データを処理するとともに、粒子１０１の画像及び処理結果を表示装置８に表示させる。処理装置６Ａは、ＣＰＵ（central processing unit）等の演算部（図示せず）と、ＲＡＭ（random access memory）、ＲＯＭ（read only memory）及びＨＤＤ（hard disk drive）等の記憶部（図示せず）を有する情報処理装置である。例えば、処理装置６Ａは、記憶部に記憶される観察処理プログラム（図示せず）が読み出されて実行されることで、図１に示すように、二値化部６１、表示処理部６２、座標演算部６３、断面積演算部６４、追尾部６５、偏差演算部６６及び作用力演算部６７が演算部に実装される。
【００３８】
二値化部６１は、撮像装置５から画像データを入力し、背景と粒子１０１とに二値化処理し、得られた二値化画像データを表示処理部６２、座標演算部６３及び断面積演算部６４に出力する。
【００３９】
表示処理部６２は、入力するデータを液晶表示装置等の表示装置８に出力し、表示させる。具体的には、表示処理部６２は、二値化画像データを入力すると、表示装置８に二値化画像データを表示し、作用力演算部６７で得られた値を入力すると、表示装置８に入力した値を表示する。なお、表示処理部６２が表示装置８に表示するのは、二値化画像データではなく、撮像装置５で撮像した画像データであってもよい。この場合、表示処理部６２は、画像データを入力し、この画像データを表示装置８に表示する。また、表示処理部６２は、画像データと二値化画像データと入力すると、操作に従って選択的に表示するようにしてもよい。
【００４０】
座標演算部６３は、二値化部６１から二値化画像データを入力すると、入力した二値化画像データに含まれる全ての粒子１０１の座標を求め、座標データとして出力する。ここで、座標演算部６３は、例えば、二値化画像データに含まれる各粒子１０１に識別番号を付与し、各識別番号に求めた座標を関連づけて座標データとする。
【００４１】
断面積演算部６４は、二値化部６１から二値化画像データを入力すると、入力した二値化画像データに含まれる全ての粒子１０１の断面積を求め、断面積データとして出力する。ここでも、断面積演算部６４は、例えば、二値化画像データに含まれる各粒子１０１に識別番号を付与し、各識別番号に求めた断面積を関連づけて断面積データとする。このとき、断面積演算部６４における粒子１０１への識別番号の付与方法と、座標演算部６３における識別番号の付与方法とを統一しておくことで、断面積データと座標データとから、各粒子１０１の断面積及び座標を把握することが可能になる。また、特定された断面積からは、各粒子１０１の体積が予測できるため、各粒子１０１のサイズを予測することができる。
【００４２】
追尾部６５は、座標データ及び断面積データを利用して、前回撮像された画像における追尾の対象の磁性微粒子である追尾粒子の座標及び断面積と、新たに撮像された画像から求められた磁性微粒子の座標及び断面積とを比較して、所定の粒子１０１を追尾し、追尾結果を表示処理部６２及び偏差演算部６６に出力する。具体的には、所定サイズの粒子を追尾することが定められているとき、追尾部６５は、断面積データから所定の断面積の粒子１０１を追尾粒子として決定し、追尾粒子の座標と断面積とを追尾データＤ１として記憶部に記憶させる。また、追尾部６５は、追尾粒子を決定後、新たな座標データ及び断面積データを入力すると、記憶部の追尾データＤ１に含まれる追尾粒子の前回の座標及び断面積と比較し、追尾粒子の新たな座標及び断面積を特定し、新たな座標及び断面積を追加して、記憶部の追尾データを更新する。ここで、追尾部６５は、基本的には、追尾データとして記憶される追尾粒子の座標と近く、かつ断面積も略一致する粒子１０１を追尾粒子とするが、各粒子速度が大きく異なったり、粒子同士が重なったりする場合には誤検出を招くため、前回より数回前の粒子情報から移動速度と方向を予測し探索範囲と設定し、探索範囲に該当粒子が存在しない場合は制御値の算出は行わず、次の撮像された画像で予測される探索範囲を捜索するものとする。さらに、追尾部６５は、追尾粒子を決定したタイミングや、追尾データＤ１を更新したタイミングで追尾粒子の座標を表示処理部６２及び偏差演算部６６に出力する。
【００４３】
なお、追尾部６５から追尾粒子の座標を入力した表示処理部６２は、表示装置８に粒子１０１の二値化画像データを表示する際、入力した座標を利用して追尾粒子にマークを付して表示する。これにより、表示装置８に表示される画像中の複数の粒子１０１から、追尾粒子を特定することができる。
【００４４】
偏差演算部６６は、入力した座標データで特定される追尾粒子の座標と追尾粒子を移動させる先である所定の目標位置との偏差を求め、求めた偏差を粒子移動制御部９３に出力する。
【００４５】
作用力演算部６７は、偏差演算部６６が求めた偏差を利用して粒子移動制御部９３が追尾粒子を目標位置に定点把持するために用いた制御値を粒子移動制御部９３から入力する。また、作用力演算部６７は、入力した制御値を用いて追尾粒子に働く磁気力、流体抵抗力、重力、浮力又は磁気双極子場による粒子間力等の作用力を求め、求めた値を表示処理部６２に出力する。なお、表示処理部６２は、作用力演算部６７から入力した値を表示装置８に表示させる。
【００４６】
具体的には、作用力演算部６７は、追尾粒子に作用する磁気力Ｆｐを下記の式（１）により求めることができる。
【００４７】
Ｆｐ＝Ｖｐ×Ｍｐ×ｇｒａｄ（μ0×Ｈ0）  …（１）
ここで、Ｖｐは粒子の体積、Ｍｐは粒子の体積磁化、Ｈ0は外部磁界である。ここで、粒子体積Ｖｐは、断面積演算部６４で求めた追尾粒子の断面積から予測する。また、Ｍｐ＝χｐ×Ｈ0であって、χｐは粒子の種別毎に定められる粒子の磁化率であり、Ｈ0は粒子移動制御部９３から入力する制御値から求められる値である。
【００４８】
また、例えば簡易的に、球状粒子とみなし、作用力演算部６７は、追尾粒子が液体１０２から受ける流体抵抗力Ｆｄを下記の式（２）により求めることができる。
【００４９】
Ｆｄ＝６π×η×ｒｐ×（ｖｆ−ｖｐ）  …（２）
ここで、ηは流体の種別毎に定められる流体の粘性係数であり、ｒｐは断面積演算部６４で求めた粒子の断面積から求める粒子の半径であり、ｖｆ−ｖｐは流体と粒子の相対速度である。
【００５０】
なお、粒子の速度ｖｐは、座標演算部６３で求めた座標の変化から求められる。また、流体の速度ｖｆは、非磁性体（例えば、数μｍ以下）の微粒子を液体１０２に混ぜておき磁気力に影響することなく液体１０２の流れとともに観察セル２内を移動させ、これを観察して座標演算部６３で求める。ここで、追尾粒子と非磁性体の微粒子とを画像処理で見分ける必要があるため、粒子径が異なる非磁性微粒子を混ぜることが好ましい。
【００５１】
また、流体抵抗力は基本的に式（２）から求めることとするが、流体の性質や粒子の形状によって式（２）の値からずれる可能性があるため、より精度をあげるために、別途流体解析を実施し、流速と粒子形状との相関データベースを作成し、補正してもよい。流速は観察セルより上流側に流量計をいれておいて計測するか、上流から磁気力に応答しない非磁性微粒子を流し、それらの非磁性微粒子の流速を画像処理によって算出し利用してもよい。または、定値保持している磁性微粒子より体積が小さい磁性微粒子が観測セル内に存在している場合は、その磁性微粒子の速度を画像処理によって算出し流体速度としてもよい。これは、磁気力が粒子体積に比例するため、たとえば１／１０の体積であればその磁性微粒子に作用する磁気力も１／１０になり、磁気力に比べて流体抵抗力がより支配的になるため、非磁性微粒子を観測していることと見なせるからである。
【００５２】
さらに、作用力演算部６７は、追尾粒子が受ける重力Ｆｇを下記の式（３）により求めることができる。
【００５３】
Ｆｇ＝ρｐ×（４/３）π×ｒｐ3×ｇ  …（３）
ここで、ρｐは粒子の種別毎に定められる粒子の密度である。
【００５４】
また、作用力演算部６７は、追尾粒子が受ける浮力Ｆｂを下記の式（４）により求めることができる。
【００５５】
Ｆｂ＝ρｆ×（４/３）π×ｒｐ3×ｇ  …（４）
ここで、ρｆは流体の種別毎に定められる流体の密度である。
【００５６】
さらに、作用力演算部６７は、下記の式（５）及び（６）により追尾粒子による磁気双極子場が任意の地点に作る磁束密度を簡易的に求めることができる。この磁束密度分布から、追尾粒子が周辺につくる磁気勾配も算出する。
【００５７】
Ｂｒ＝μ0（Ｐｍ/（２π×ｒｐ3））×ｃｏｓθ  …（５）
Ｂθ＝μ0（Ｐｍ/（４π×ｒｐ3））×ｃｏｓθ  …（６）
ここで、Ｐｍ＝Ｍ×Ｖｐであって、Ｐｍは磁気モーメントｍ［Ａｍ2］、Ｍ［Ａ/ｍ］は磁化、Ｖｐ［ｍ3］は粒子の体積である。
【００５８】
制御装置９は、粒子観察装置１Ａの制御全般を司るものである。制御装置９は、ＣＰＵ等の演算部（図示せず）と、ＲＡＭ、ＲＯＭ及びＨＤＤ等の記憶部（図示せず）と、キーボードやマウス等の入力部９１を有する情報処理装置である。例えば、制御装置９は、記憶部に記憶される観察制御プログラム（図示せず）が読み出されて実行されることで、図１に示すように、光制御部９２、粒子移動制御部９３及び撮像制御部９４が演算部に実装される。
【００５９】
入力部９１は、ユーザが種々の指示を入力するためのものである。また、入力部９１は、ユーザによって入力された指示を光制御部９２及び粒子移動制御部９３へ出力する。
【００６０】
光制御部９２は、光照射部３を制御するためのものである。光制御部９２は、指示信号を発光部３１へと出力する。これにより、発光部３１は、光Ｌａを出射する。また、初期設定時には、光制御部９２は、受光部３４からの検出信号を入力する。光制御部９２は、この検出信号に基づいて、光Ｌｂのずれを算出して、発光部３１を制御して光Ｌｂの出射方向を調整する。なお、光制御部９２が光Ｌｂのずれを表示可能に構成して、発光部３１の出射方向は、ユーザが設定するようにしてもよい。
【００６１】
粒子移動制御部９３は、粒子１０１を所定の目標位置に把持させる磁力線を発生させる制御値を出力して粒子移動部４を制御することで、粒子１０１の移動をＰＩＤ制御する。粒子移動制御部９３は、偏差演算部６６から追尾粒子と追尾粒子の目標位置との偏差を入力し、入力した偏差に基づいて、追尾粒子を目標位置に移動させるための制御値を求めてコイル電源４５〜４８に求めた制御値を出力し、４組のコイル４１〜４４が発生する磁力線１０３を調整する。すなわち、追尾粒子は磁性体であるため、追尾粒子が存在する空間に適正な磁力線１０３を発生させることで、追尾粒子を目標位置まで移動させることができる。ここで、追尾粒子を目標位置まで移動させることができると、追尾粒子の座標と目標位置とが一致するため、粒子移動制御部９３が出力する制御値は、追尾粒子を目標位置に定点把持するための制御値となる。また、粒子移動制御部９３は、求めた制御値を作用力演算部６７に出力する。
【００６２】
撮像制御部９４は、撮像装置５に信号を出力し、撮像装置５を制御するためのものである。
【００６３】
なお、上述した説明では、観察セル２は、流入部２１及び流出部２３を有し、ポンプ等を介して粒子１０１及び液体１０２を内部に送り、流体１０２を内部で移動させることで、流速あるいは流体抵抗力を変化させ計測することが可能である。
【００６４】
また、上述したように、コイル４１〜４４は、観察セル２の上下左右に設置する他、観察セル２の前後にも設置することが好ましい。なお、観察セル２の前後に設置しない場合であっても、観察セル２の上下左右に設置するコイル４１〜４４の中にある鉄心形状等を調整し、観察領域の中心に収束力をつけることで、粒子１０１の奥行方向の動きを抑制することができる（。さらに、コイル４１〜４４を可動自在にすることで、追尾粒子の追尾が容易になる。また、粒子移動部４は、コイル４１〜４４及びコイル電源４５〜４８を備える電磁石であったが、永久磁石を併用してもよい。
【００６５】
（粒子の追尾観察処理）
図５に示すフローチャートを用いて、粒子観察装置１Ａにおいて特定の粒子を追尾して観察する処理の一例を説明する。
【００６６】
まず、粒子観察装置１Ａでは、撮像装置５が、観察対象の粒子１０１が供給され、光照射部３によって照射された観察部２２内の粒子１０１を撮像し、撮像した画像データを処理装置６Ａに出力する（Ｓ０１）。
【００６７】
画像データを入力した処理装置６Ａは、入力した画像データを二値化部６１によって二値化し、得られた二値化画像データを表示処理部６２、座標演算部６３及び断面積演算部６４に出力する（Ｓ０３）。
【００６８】
表示処理部６２は、入力した二値化画像データを表示装置８に表示する（Ｓ０４）。
【００６９】
座標演算部６３は、入力した二値化画像データ中の全ての粒子１０１の座標を求めて座標データとして追尾部６５に出力する。また、断面積演算部６４は、入力した二値化画像データ中の全ての粒子１０１の断面積を求めて断面積データとして追尾部６５に出力する（Ｓ０５）。
【００７０】
座標データと断面積データとを入力した追尾部６５は、追尾中の粒子（追尾粒子）があるか否かを判定する（Ｓ０５）。追尾粒子がないとき（Ｓ０５でＮＯ）、追尾部６５は、所定サイズの粒子があるか否かを判定する（Ｓ０６）。すなわち、追尾部６５は、各粒子１０１の断面積から各粒子のサイズを予測し、追尾の対象に定められる所定サイズの粒子があるか否かを判定する。
【００７１】
所定サイズの粒子があるとき（Ｓ０６でＹＥＳ）、追尾部６５は、所定サイズの粒子を追尾粒子と決定し追尾データＤ１を記憶部に記憶するととも、追尾粒子の座標を表示処理部６２に出力して、ステップＳ０２に戻り、ステップＳ０２〜Ｓ０６の処理を繰り返す（Ｓ０７）。これにより、表示装置８では、表示される二値化画像上で追尾粒子にマークが付される。
【００７２】
一方、所定サイズの粒子がないとき（Ｓ０６でＮＯ）、追尾部６５は、ステップＳ０２に戻り、ステップＳ０２〜Ｓ０６の処理を繰り返す。
【００７３】
ステップＳ５で追尾粒子があるとき（Ｓ０５でＹＥＳ）、追尾部６５は、入力した座標データ及び断面積データと記憶部に記憶される追尾データＤ１を利用して、追尾粒子を検索する（Ｓ０８）。また、追尾部６５は、ステップＳ９で追尾粒子を検索すると、移動後の追尾粒子の座標と断面積を追加して追尾データＤ１を更新することで、追尾を継続する（Ｓ０９）。その後、処理装置６Ａでは、追尾を終了する操作信号を入力するまで、ステップＳ０２〜Ｓ０９の処理を繰り返すことで、粒子の追尾が行なわれる（Ｓ１０）。
【００７４】
なお、上述した説明では、所定サイズの粒子１０１を追尾の対象の粒子とすることを予め定め、ステップＳ０６において、追尾部６５は、所定サイズの粒子を追尾対象の粒子として決定するものとして説明したが、ユーザが表示装置８に表示される粒子１０１から追尾する粒子を選択できるようにしてもよい。
【００７５】
（粒子の作用力観察処理）
続いて、図６に示すフローチャートを用いて、粒子観察装置１Ａにおいて追尾される粒子の作用力を観察する処理の一例を説明する。例えば、この作用力観察処理は、図５を用いて上述したような追尾処理で追尾対象の粒子が決定された後、追尾粒子に対して実行される。
【００７６】
まず、粒子観察装置１Ａでは、偏差演算部６６は、追尾粒子を決定した追尾部６５から更新した追尾データＤ１に含まれる追尾粒子の座標データを入力する（Ｓ２１）。
【００７７】
追尾粒子の座標データを入力した偏差演算部６６は、追尾粒子の座標と、追尾粒子を移動させる目標位置の座標との偏差を求め、粒子移動制御部９３に出力する（Ｓ２２）。
【００７８】
その後、粒子移動制御部９３は、偏差を利用して、追尾粒子を目標位置に移動させる制御値を求めてコイル電源４５〜４８に出力して粒子の移動を制御するとともに、制御値を作用力演算部６７に出力する（Ｓ２３）。
【００７９】
制御値を入力した作用力演算部６７は、入力した制御値から追尾粒子に作用している作用力を求め、表示処理部６２に出力する（Ｓ２４）。
【００８０】
また、処理装置６Ａでは、作用力の観察の処理を終了する操作信号を入力するまで、ステップＳ２１〜Ｓ２４の処理を繰り返す（Ｓ２５）。
【００８１】
《実施例》
ここで、第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａにおける粒子の観察の一実施例について説明する。ここでは、粒子１０１として、フェライト微粒子（粒子径平均：１２μｍ、粒子径分布：３００ｎｍ〜３００μｍ）を使用した場合の一例である。なお、このフェライト微粒子の飽和磁化Ｍｐは約１．８５ｅ５［Ａ/ｍ］であり、０．０５Ｔにおける磁化率χは約２．３である。この際、液体１０２が入った１０×１０×４５ｍｍのガラス製の観察セル２に粒子１０１であるフェライト微粒子を封入し、撮像装置５である高速撮影可能なＣＭＯＳカメラにより、１秒間に１００枚の速度で撮影した。
【００８２】
図７は、粒子観察装置１Ａで、観察の対象として決定された追尾粒子を追尾した一例である。図７に示す各画像では、円形状の追尾粒子にマーカを付している。なお、図７（ａ）は、発光部３１として白色光源としてハロゲンランプを利用して観察セル２の背面から照射し、トラッキングした場合のトラッキング開始時（ｔ＝０ｓ）、図７（ｂ）は、トラッキング開始２秒後（ｔ＝２ｓ）、図７（ｃ）は、トラッキング開始４秒後（ｔ＝４ｓ）の二値化画像データの一例である。
【００８３】
また、図７（ｄ）は、発光部３１としてレーザ光源を利用して観察セル２の側面から照射し、トラッキングした場合のトラッキング開始時（ｔ＝０ｓ）、図７（ｅ）は、トラッキング開始２秒後（ｔ＝２ｓ）、図７（ｆ）は、トラッキング開始４秒後（ｔ＝４ｓ）の二値化画像データの一例である。図７に示す例では、レーザ光源を使用して観察した場合には1μｍ以下の粒子も観察できるため、白色光源を使用して観察するよりも多くの粒子を観察できることが分かる。
【００８４】
続いて、図８は、粒子観察装置１Ａで、追尾粒子を目標位置に把持する過程の粒子の移動について説明する図である。具体的には、把持の処理が開始してから２．５秒後から６秒後まで０．５秒毎の画像の一例である。このように、追尾粒子は、磁力線１０３の発生により、移動していることが分かる。なお、図８に示す例では、追尾粒子は、処理開始後、３秒から３．５秒までの間に、他の粒子と結合後に定点把持されたことが分かる。
【００８５】
また、図９は、図８に示した場合の追尾粒子の座標を表す図であり、図９（ａ）は、０〜１０秒後まで、図９（ｂ）は、１０〜２５秒後までの一例を示している。図９に示す例では、追尾粒子を目標位置に把持するまでに約６秒要し、その後は、略目標位置に把持されていたことが分かる。
【００８６】
さらに、図１０は、図８に示した場合に追尾粒子を目標位置に把持する際に要した電流量の変化を表すグラフである。３秒までは磁性微粒子かどうか判定するために、上部の電磁石に矩形波状の電流を流し磁気力に応答するかどうか確認している。３秒後から定点制御を開始し、図８に示したように６秒時点でほぼ目標地点にて定点把持されている。３秒から６秒までの間に供給された電流が大きく変化しているのは、いち早く目標地点に移動させるために大きな磁気力を発生させるためである。
【００８７】
なお、粒子移動制御部９３は、図１０に示すように、初期の電流を矩形状に印加し、粒子１０１が上下運動に追従するか否かにより、液体１０２中の粒子が磁性微粒子であるか又は非磁性微粒子であるかを判別した後、続く処理を開始することが好ましい。これにより、粒子移動制御部９３が直接磁気駆動できない粒子を誤って追尾粒子とし、不要な磁力線１０３を発生させて必要以上に他の粒子を駆動させて流体場（液体１０２）を乱してその後の処理を困難にするのを防止するためである。また、吸引力しか作用させられない軟磁性材料の粒子を回転させずに安定的に制御するために、流体場を乱さない工夫が望ましく、このように矩形波の電流を印加することで追尾粒子の把持までの時間を短縮することが可能になる。
【００８８】
また、図１１は、追尾粒子を目標位置に把持する際に要した垂直方向と水平方向の磁気力の変化と、重力及び浮力の変化（図１１（ａ））と、把持の制御開始２０秒後の重力、浮力、磁気力及び流体抵抗力の関係（図１１（ｂ））とを示す一例である。
【００８９】
上述したように、第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａでは、連続する画像から磁性微粒子の座標と断面積を求めて特定の粒子を追尾することで、微粒子の二値化画像データを表示する際に追尾粒子にマークを付して表示することができる。これにより容易に磁性微粒子の挙動の把握が可能となる。また、粒子観察装置１Ａでは、求めた座標を利用して磁性微粒子を目標位置に把持させる磁力を利用することで、容易に磁性微粒子の作用力を把握することが可能となる。さらに、粒子観察装置１Ａでは、追尾粒子を非接触で把持し、作用力を把握することができるため、追尾粒子の把持部品等の影響を受けずにより正確な作用力を把握することができる。
【００９０】
〈第２実施形態〉
図１２に示す全体構成図を用いて、第２実施形態に係る粒子観察装置１Ｂについて説明する。この粒子観察装置１Ｂは、液体１０２中の強磁性体の粒子１０１である１粒子を観察して特性を計測するものである。第２実施形態に係る粒子観察装置１Ｂを上述した第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａと比較すると、粒子観察装置１Ｂでは、磁気計測装置７を備え、処理装置６Ａに代えて処理装置６Ｂを備えている点で異なる。また、この処理装置６Ｂを処理装置６Ａと比較すると、作用力演算部６７を備えず、特性演算部６８を備える点で異なる。
【００９１】
また、この粒子観察装置１Ｂは、磁気計測装置７を利用して予め計測された、粒子１０１の移動領域（観察領域）内の磁気勾配と磁界強度に関する磁気データＤ２を記憶部に記憶している。磁気計測装置７は、観察領域内で駆動自在に構成され、ホールセンサーやガウスメータである。この磁気データＤ２を生成する際には、コイル電源４５〜４８がコイル４１〜４４に通電する電流を変化させて複数回測定する。そのため、この磁気データＤ２は、コイル４１〜４４に通電する電流と観察領域内の磁界分布との相関関係を表すデータである。なお、図１２における磁気計測装置７の位置は便宜上記載しているのであって、実際の位置とは異なる。
【００９２】
特性演算部６８は、複数方向から撮影された追尾粒子の画像データを利用して追尾粒子を３次元に再構成し、追尾粒子の体積を求める。その後、特性演算部６８は、求めた体積と追尾粒子の密度とから、追尾粒子の質量を求める。ここで、複数方向から追尾粒子を撮影する際には、観察セル２内への液体１０２の流入を停止して液体１０２を静止するとともに追尾粒子を定点把持したうえで、粒子移動制御部９３によって粒子を回転するように制御し、固定される１台のカメラからなる撮像装置５で撮影する。
【００９３】
特性演算部６８は、観察セル２内への液体１０２の流入を停止して液体１０２を静止させた状態で、追尾粒子を観察セル２内に定点把持させるために追尾粒子に磁力線を与える制御値を粒子移動制御部９３から入力する。
【００９４】
特性演算部６８は、式（７）を利用して、重力Ｆｇと追尾粒子の浮力Ｆｂから追尾粒子の磁気力Ｆｐを求める。ここで、重力Ｆｇは、追尾粒子の密度と体積から求めることができる。
【００９５】
Ｆｐ＝Ｆｇ−Ｆｂ  …（７）
その後、特性演算部６８は、式（８）を利用して体積磁化Ｍｐを求めて磁気特性（磁場‐磁化曲線）を求める。ここで、Ｖｐは粒子体積、Ｈ0は外部磁界である。
【００９６】
Ｍｐ＝Ｆｐ／｛Ｖｐ×ｇｒａｄ（μ0×Ｈ0）｝  …（８）
なお、ここでは、複数の方向から追尾粒子を撮影するため、追尾粒子を回転させて固定したカメラで撮影している。これに対し、定点把持される追尾粒子を異なる位置に設置される複数台のカメラからなる撮像装置５で撮影しても良い。または、移動可能なカメラからなる撮像装置５で、カメラを移動させて異なる複数の方向から追尾粒子を撮影してもよい。
【００９７】
（粒子の特性観察処理）
次に、図１３に示すフローチャートを用いて、粒子観察装置１Ｂにおいて特定の粒子の特性を観察する処理について説明する。この特性観察処理は、例えば、図５を用いて上述した追尾観察処理で粒子が追尾粒子として登録された後に、この追尾粒子である１粒子の特性を観察するために実行される。
【００９８】
まず、粒子観察装置１Ｂでは、観察セル２内の液体１０２が静止し（Ｓ３１でＹＥＳ）、追尾粒子を目標位置に定点把持されることで静止すると（Ｓ３２でＹＥＳ）、粒子移動制御部９３は、追尾粒子を目標位置で回転するための電流を出力するようにコイル電源を制御する（Ｓ３３）。
【００９９】
撮像装置５は、粒子移動制御部９３の制御によって回転した追尾粒子を撮影することで、複数の異なる方向からの追尾粒子の画像データを取得する（Ｓ３４）。
【０１００】
特性演算部６８は、複数の画像データを取得すると、複数の方向からの画像データにおける追尾粒子の断面積を利用して、追尾粒子の体積を求める（Ｓ３５）。
【０１０１】
続いて、流入部２１を介して観察セル２に液体１０２を供給する量を変化させることで、観察セル２内の液体１０２の流速を変化させる（Ｓ３６）。
【０１０２】
その後、特性演算部６８は、磁気力を求める（Ｓ３７）。続いて、特性演算部６８は、追尾粒子による磁気特性（磁場−磁化曲線）を求め、求めた特性を表示処理部６２に出力して表示装置８に表示させる（Ｓ３８）。なお、上述した方法では、重力と浮力と磁気力との釣り合う磁界に対する体積磁化のみが求まることになる。磁気特性（磁束密度（あるいは磁界）と磁化との関係）は、液体１０２が静止中は重力とのバランスだけとなり、磁束密度が１点のデータしかとれない。これに対し、液体１０２の流速をステップ状にあげて重力、浮力、粘性力と順次バランスすることで、流速の増加に応じて磁束密度が大きくなり、磁束密度と磁化との関係を数点とることができ汎用的な磁気特性を得ることができる。
【０１０３】
上述したように、第２実施形態に係る粒子観察装置１Ｂでは、連続する画像から磁性微粒子の座標と断面積を求めて特定の粒子を追尾するとともに、特定の磁性微粒子を目標位置に把持させる磁力を利用することで、容易に磁性微粒子の特性を把握することが可能となる。
【０１０４】
〈第３実施形態〉
図１４に示す全体構成図を用いて、第３実施形態に係る粒子観察装置１Ｃについて説明する。この粒子観察装置１Ｃは、液体１０２等の流体に含まれる強磁性体の粒子１０１が存在する空間の磁気勾配を観察するものである。したがって、この粒子観察装置１Ｃでは、二値化画像データを表示する際に追尾粒子にマークを付すのではなく、各粒子の軌跡を表示する。
【０１０５】
第３実施形態に係る粒子観察装置１Ｃを上述した第１実施形態に係る粒子観察装置１Ｃと比較すると、粒子観察装置１Ｃでは、処理装置６Ａに代えて処理装置６Ｃを備えている点で異なる。また、この処理装置６Ｃを処理装置６Ａと比較すると、追尾部６５に代えて追尾部６５Ｃを備え、作用力演算部６７を備えず、勾配演算部６９を備える点で異なる。
【０１０６】
この粒子観察装置１Ｃの追尾部６５Ｃは、特定の追尾粒子のみ追尾するのではなく、二値化画像データに含まれる全ての粒子１０１又は複数の粒子１０１を追尾する。具体的には、追尾部６５Ｃは、各粒子の座標と断面積とを追尾データＤ３として記憶部に記憶し、新たな座標データ及び断面積データを入力すると、追尾データＤ３に含まれる各座標及び断面積と比較して、対応する粒子を選択する。この追尾データＤ３は、座標と断面積との変化の履歴を含んでいる。追尾部６５Ｃは、追尾データＤ３から、二値化データに含まれる各粒子と対応する粒子を選択すると、各粒子の座標と、各粒子の座標の変化の履歴を含む軌跡データとして表示処理部６２に出力する。これにより、表示装置８には、各粒子の軌跡が表示される。
【０１０７】
勾配演算部６９は、各粒子について、磁気勾配の大きさ（ｄＨ/ｄλ）を求め、表示処理部６２に出力する。これにより、表示処理部６２は、表示装置８に表示される各粒子に磁気勾配の大きさを表示する。
【０１０８】
具体的には、勾配演算部６９は、各粒子の加速度を算出して式（６）及び（７）を利用して求める。なお、各粒子の加速度は、追尾データＤ３に含まれる座標の変化から求められる。式（７）においてＦｄは式（２）で求まる流体抵抗力である。
【０１０９】
Ｆ＝ｍα  …（６）
Ｆ＝Ｍｐ×μ×ｄＨ/ｄλ×Ｖ＋Ｆｄ…（７）
（磁気勾配観察処理）
次に、図１５に示すフローチャートを用いて、粒子観察装置１Ｃにおいて粒子１０１が存在する空間の磁気勾配を観察する処理について説明する。
【０１１０】
まず、撮像装置５は、観察対象の粒子１０１が観察セル２に供給され、光照射部３によって照射された観察部２２内の粒子１０１を撮像し、撮像したデータを処理装置６Ｃに出力する（Ｓ４１）。
【０１１１】
画像データを入力した処理装置６Ｃは、入力した画像データを二値化部６１によって二値化し、得られた二値化画像データを表示処理部６２、座標演算部６３及び断面積演算部６４に出力する（Ｓ４２）。
【０１１２】
座標演算部６３は、入力した二値化画像データ中の全ての粒子１０１の座標を求めて座標データとして追尾部６５Ｃに出力する。また、断面積演算部６４は、入力した二値化画像データ中の全ての粒子１０１の断面積を求めて断面積データとして追尾部６５Ｃに出力する（Ｓ４３）。
【０１１３】
座標データと断面積データとを入力した追尾部６５Ｃは、追尾データＤ３が記憶部に記憶されているか否かを判定する（Ｓ４４）。追尾データＤ３が記憶されていないとき（Ｓ４４でＮＯ）、追尾部６５Ｃは、入力した座標データと断面積データに含まれる座標と断面積から追尾データＤ３を生成して記憶部に記憶し、表示処理部６２が二値化画像データを表示装置８に表示した後ステップＳ４１に戻り、ステップＳ０１〜Ｓ４３の処理を繰り返す（Ｓ４５）。
【０１１４】
また、追尾データＤ３が記憶装置に記憶されているとき（Ｓ４４でＹＥＳ）、追尾部６５Ｃで、入力した座標データと断面積データに含まれる座標と断面積を追加して追尾データＤ３を更新し、表示処理部６２で、画像データを表示装置８に、各粒子の軌跡も合わせて表示する（Ｓ４６）。なお、各粒子の軌跡の接線が磁気勾配の方向を表している。
【０１１５】
その後、勾配演算部６９は、勾配の大きさを求め、表示処理部６２に出力する（Ｓ４７）。これにより、勾配の大きさを入力した表示処理部６２が入力した勾配の大きさを表示装置８に表示する（Ｓ４８）。
【０１１６】
粒子観察装置１Ｃは、磁気勾配の観察処理を終了する操作信号を入力するまで、ステップＳ４１〜Ｓ４８の処理を繰り返す（Ｓ４９）。
【０１１７】
上述したように、第３実施形態に係る粒子観察装置１Ｃでは、連続する画像から磁性微粒子の座標と断面積を求めて各微粒子の移動の履歴を特定し、移動経路を表示することで、容易に磁性微粒子を含む領域の磁気勾配を把握することができる。
【０１１８】
〈第４実施形態〉
図１６に示す全体構成図を用いて、第４実施形態に係る分離装置１Ｄについて説明する。第４実施形態に係る分離装置１Ｄは、液体１０２等の流体に含まれる複数の磁性体の粒子１０１から、特定の粒子１０１を分離する装置である。この分離装置１Ｄは、上述した第１実施形態に係る粒子観察装置１Ａと同様に、分離セル２Ｄ、光照射部３、粒子移動部４、処理装置６Ｄ、表示装置８及び制御装置９を備えている。ここで、分離装置１Ｄは粒子観察装置１Ａと異なり、観察セル２に代えて分離セル２Ｄを備え、処理装置６Ａに代えて処理装置６Ｄを備えている。
【０１１９】
分離セル２Ｄは、例えば図１７に示すように、複数の複数の流出部２３ａ，２３ｂを備えている。具体的には、分離対象の粒子が流出する対象粒子用の流出部２３ａと、分離対象ではない粒子が流出する対象外粒子用の流出部２３ｂとを備えている。これにより、流入部２１から流入する粒子１０１から特定の粒子のみを選択して対象粒子用の流出部２３ａから流出し、それ以外の粒子については対象外粒子用の流出部２３ｂから流出する。
【０１２０】
処理装置６Ｄを処理装置６Ａと比較すると、作用力演算部６７を備えず、偏差演算部６６に代えて偏差演算部６６Ｄを備える点で異なる。この処理装置６Ｄも、例えば、処理装置６Ａと同様に演算部や記憶部（図示せず）を有する情報処理装置であって、記憶部に記憶される分離プログラム（図示せず）が読み出されて実行されることで、図１６に示すように、二値化部６１、表示処理部６２、座標演算部６３、断面積演算部６４、追尾部６５及び偏差演算部６６Ｄが演算部に実装される。
【０１２１】
処理装置６Ｄの追尾部６５は、分離対象の粒子を追尾する。追尾部６５は、例えば、所定サイズの粒子を分離対象の粒子として追尾する。また、追尾部６５は、分離対象の粒子の座標及び断面積を追尾データＤ１として記憶部に記憶させ、分離対象の粒子の移動に応じて追尾データＤ１を更新する。
【０１２２】
処理装置６Ｄの偏差演算部６６Ｄは、座標データを入力すると、分離対象の粒子の座標と、分離する際の粒子の経路との偏差を求め、求めた偏差を粒子移動制御部９３に出力する。例えば、この分離装置１Ｄでは、分離セル２Ｄの観察部２２から流出部２３ａへの流路が分離対象の粒子の誘導路として定めており、偏差演算部６６Ｄは、分離対象の粒子の座標と分離対象の粒子に定められる誘導路上の点の座標（例えば、分岐点の座標）との偏差を求める。また、分離対象の粒子が誘導路上にあるとき、偏差演算部６６Ｄは、誘導路上の対象粒子用の流出部２３ａへ現在の座標から所定距離進んだ座標を目標位置とし、現在の座標からこの目標位置までの偏差を求める。
【０１２３】
偏差を入力した粒子移動制御部９３は、入力した偏差に応じて、分離対象の粒子が誘導路上に移動するように、また、対象粒子用の流出部２３ａから流出するように制御する。このとき、図１７に示すように観察部２２から対象粒子用の流出部２３ａまでの誘導路を複雑に形成することで、対象外の粒子が対象粒子用の流出部２３ａから流出するのを防止することができる。
【０１２４】
（粒子の分離処理）
続いて、図１８に示すフローチャートを用いて、分離装置１Ｄにおいて特定の粒子を分離する処理について説明する。
【０１２５】
まず、撮像装置５は、分理対象の粒子１０１を含む液体１０２が分離セル２Ｄに供給され、光照射部３によって照射された観察部２２内の粒子１０１を撮像し、撮像したデータを処理装置６Ｄに出力する（Ｓ５１）。
【０１２６】
画像データを入力した処理装置６Ｄは、入力した画像データを二値化部６１によって二値化し、得られた二値化画像データを表示処理部６２、座標演算部６３及び断面積演算部６４に出力する（Ｓ５２）。
【０１２７】
表示処理部６２は、入力した二値化画像データを表示装置８に表示する（Ｓ５３）。
【０１２８】
座標演算部６３は、入力した二値化画像データ中の全ての粒子１０１の座標を求めて座標データとして追尾部６５に出力する。また、断面積演算部６４は、入力した二値化画像データ中の全ての粒子１０１の断面積を求めて断面積データとして追尾部６５に出力する（Ｓ５４）。
【０１２９】
座標データと断面積データとを入力した追尾部６５は、分離対象の粒子１０１があるか否かを判定する（Ｓ５５）。分離対象の粒子がないとき（Ｓ５５でＮＯ）、ステップＳ５１に戻り、ステップＳ５１〜Ｓ５５の処理を繰り返す。
【０１３０】
分離対象の粒子があると判定すると（Ｓ５５でＹＥＳ）、追尾部６５は、分離対象の粒子の座標データを偏差演算部６６Ｄに出力する（Ｓ５６）。
【０１３１】
偏差演算部６６Ｄは、入力した分離対象の粒子の座標と、分離する粒子に定められる経路との偏差を求めて粒子移動制御部９３に出力する（Ｓ５７）。
【０１３２】
粒子移動制御部９３は、求めた偏差から粒子の経路に導く制御値を求めて粒子移動部４を制御することで、対象の粒子のみを分離し（Ｓ５８）、その後、分離処理を終了する操作信号を入力するまで、ステップＳ５１〜５９の処理を繰り返す（Ｓ５９）。
【０１３３】
なお、ここでは、分離セル２Ｄは、複数の流出部２３ａ，２３ｂを備え、分離対象の粒子を他の粒子を流出する流出部２３ｂと異なる流出部２３ａから流出するように構成した。これに対し、分離セル２Ｄが、複数の流出部２３ａ，２３ｂを備えていない場合、分離対象の粒子を磁力によって分離セルＤ内に把持し、他の粒子１０１を流出後に分離対象の粒子を回収するようにすることもできる。
【０１３４】
上述したように、第４実施形態に係る分離装置１Ｄでは、連続する画像から磁性微粒子の座標と断面積を求めて、分離対象の粒子を追尾するとともに磁力を利用して分離対象の粒子のみを目的の位置に移動させることで、分離が困難な磁性微粒子であっても容易に分離することができる。
【０１３５】
〈第５実施形態〉
図１９に示す全体構成図を用いて、第５実施形態に係るマニピュレーション装置１Ｅについて説明する。第５実施形態に係るマニピュレーション装置１Ｅは、強磁性体の粒子１０１をマニピュレートする装置である。このマニピュレーション装置１Ｅは、上述した４実施形態に係る分離装置１Ｄと同様に、制御セル２Ｅ、光照射部３、粒子移動部４、処理装置６Ｅ、表示装置８及び制御装置９を備えている。ここで、マニピュレーション装置１Ｅは分離装置１Ｄと異なり、分離セル２Ｄに代えて制御セル２Ｅを備え、処理装置６Ｄに代えて処理装置６Ｅを備えている。
【０１３６】
制御セル２Ｅの形状は、限定されないが、対象の粒子を内部でマニピュレート可能に形成されている。また、マニピュレート対象は基本的に磁性体であるが、磁性体を駆動制御することで生じる流体の流れを利用して、磁気力の作用しない非磁性体を流体抵抗力をつかってマニピュレートすることも可能である。具体的には、対象とする非磁性微粒子の近傍に磁性体の微粒子を浮遊させておき、非磁性体を動かしたい方向に磁性微粒子を移動させる（その方向になる電磁石の磁気力で吸引する）ことで、動かしたい方向への流体の流れを局所的に非磁性体微粒子の周囲につくり、これによって非磁性微粒子は重力と浮力以外に、動かしたい方向への流体抵抗力を付加されることになり、非磁性体をマニピュレート可能とする。
【０１３７】
処理装置６Ｅは、例えば、処理装置６Ｄと同様に演算部及び記憶部（図示せず）を有する情報処理装置であり、記憶部に記憶されるマニピュレーションプログラム（図示せず）が読み出されて実行されることで、図１９に示すように、二値化部６１、表示処理部６２、座標演算部６３、断面積演算部６４、追尾部６５及び偏差演算部６６Ｄが実装される。
【０１３８】
このマニピュレーション装置１Ｅでは、制御対象の粒子をマニピュレートする経路が定められており、偏差演算部６６Ｄによって制御対象の粒子と定められる経路との偏差が求められる。これにより、制御対象の粒子は、粒子移動制御部９３によって、この経路にしたがって移動するように制御される。
【０１３９】
ここで、撮像装置５を可動自在にした場合や、コイル４１〜４４を可動自在にした場合、三次元的に制御することが可能になる。
【０１４０】
上述したように、第５実施形態に係るマニピュレーション装置１Ｅでは、連続する画像から磁性微粒子の座標と断面積を求めて、制御対象の粒子を追尾するとともに磁力を利用して制御対象の粒子のみを移動させることで、制御が困難な磁性微粒子を容易にマニピュレートすることができる。
【０１４１】
以上、各実施形態を用いて本発明を詳細に説明したが、本発明は本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載及び特許請求の範囲の記載と均等の範囲により決定されるものである。
【符号の説明】
【０１４２】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…粒子観察装置
１Ｄ…分離装置
１Ｅ…マニピュレーション装置
２…観察セル
２Ｄ…分離セル
２Ｅ…制御セル
２１…流入部
２２…観察部
２３…流出部
３…光照射部
３１…発光部
３２…ビームエキスパンダ
３３…反射部材
３４…受光部
４…粒子移動部（磁気発生装置）
４２〜４４…コイル
４５〜４８…コイル電源
５…撮像装置
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ…処理装置
６１…二値化部
６２…表示処理部
６３…座標演算部
６４…断面積演算部
６５，６５Ｃ，６５Ｄ…追尾部
６６…偏差演算部
６７…作用力演算部
６８…特性演算部
６９…勾配演算部
７…磁気計測装置
８…表示装置
９…制御装置
９１…入力部
９２…光制御部
９３…粒子移動制御部
９４…撮像制御部
１０１…粒子
１０２…液体
１０３…磁力線
【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９】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１１】
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