(57)【要約】【課題】対象物の光学的性質に影響されることなく、非接触で微小棒状物の位置及び姿勢を自動的に制御可能な微小棒状物の姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供すること。【解決手段】カメラ（４，４’）と、ビーム出力部（７）と、ビームの光路を変化させる焦点移動部（１２）と、焦点移動部（１２）を介したビームを集束する集束部と、制御部（５）とを備え、微小棒状物（３）がビームに対して周囲の媒質よりも高い屈折率を有し、制御部（５）が、カメラ（４、４’）によって得られる微小棒状物（３）の画像から、微小棒状物（３）の骨格ラインを抽出して走査軌道とし、焦点移動部（１２）を介したビームが集束部によって走査軌道上に集束され、焦点が走査軌道上を往復走査するように、焦点移動部（１２）を制御してビームの光路を変化させ、微小棒状物（３）を捕捉し、焦点移動部（１２）を制御して、ビームの焦点を指定位置に変化させる。【選択図】  図１
2004243434.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小棒状物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小棒状物の姿勢制御装置であって、
複数台のカメラと、
ビームを出力するビーム出力部と、
入射する前記ビームの光路を変化させて出力する焦点移動部と、
前記焦点移動部から出力される前記ビームを集束する集束部と、
制御部と、
操作部とを備え、
前記微小棒状物が、前記ビームに対して周囲の媒質よりも高い屈折率を有し、前記ビームを屈折透過し、
前記制御部が、
複数台の前記カメラによって得られる前記微小棒状物の複数枚の画像から、前記微小棒状物の骨格ラインを抽出して走査軌道とし、
前記焦点移動部を制御して、前記焦点移動部から出力される前記ビームが前記集束部によって前記走査軌道上に集束され、該集束した焦点位置が前記走査軌道上を往復走査するように、前記焦点移動部に入射する前記ビームの光路を変化させて、前記微小棒状物を捕捉し、
前記操作部からの指示を受け、前記焦点移動部を制御して前記走査軌道を変化させることを特徴とする微小棒状物の姿勢制御装置。
【請求項２】
前記制御部が、
前記操作部から、前記微小棒状物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け、
前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される前記走査軌道の３次元位置とを使用して、前記走査軌道の移動先である目標軌道の３次元位置を決定し、
前記焦点移動部を制御して、前記焦点移動部から出力される前記ビームが、前記集束部によって前記目標軌道上に集束されるように、前記焦点移動部に入射する前記ビームの光路を変化させることを特徴とする請求項１に記載の微小棒状物の姿勢制御装置。
【請求項３】
微小棒状物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小棒状物の姿勢制御装置であって、
複数台のカメラと、
２本のビームを出力するビーム出力部と、
入射する２本の前記ビームの光路を変化させて出力する焦点移動部と、
前記焦点移動部から出力される２本の前記ビームを集束する集束部と、
制御部と、
操作部とを備え、
前記微小棒状物が、前記ビームに対して非透過性若しくは周囲の媒質よりも低い屈折率を有し、
前記制御部が、
複数台の前記カメラによって得られる前記微小棒状物の複数枚の画像から、前記微小棒状物の長手方向に沿って、前記微小棒状物を挟んで位置する２本の走査軌道を決定し、
前記焦点移動部を制御して、２本の前記ビームの各々が前記集束部によって対応する２本の前記走査軌道上に集束され、集束されたこれら焦点位置が同期して各々の前記走査軌道上を走査するように、前記焦点移動部に入射する２本の前記ビームの光路を変化させてビームの空洞を形成し、前記微小棒状物を前記空洞内に捕捉し、
前記操作部からの指示を受け、前記焦点移動部を制御して２本の前記走査軌道を変化させることを特徴とする微小棒状物の姿勢制御装置。
【請求項４】
前記制御部が、
前記操作部から、前記微小棒状物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け、
前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される２本の前記走査軌道の３次元位置とを使用して、各々の前記走査軌道に対する移動先の目標軌道の３次元位置を決定し、
前記焦点移動部を制御して、前記焦点移動部から出力される２本の前記ビームの各々が、前記集束部によって対応する前記目標軌道上に集束されるように、前記焦点移動部に入射する前記ビームの光路を変化させることを特徴とする請求項３に記載の微小棒状物の姿勢制御装置。
【請求項５】
ビームを生成する第１ステップと、
周囲の媒質よりも高屈折率を有し、前記ビームを透過する微小棒状物を複数台のカメラによって撮像する第２ステップと、
複数台の前記カメラによって撮像される複数枚の画像から、前記微小棒状物の骨格ラインを抽出して走査軌道とする第３ステップと、
前記ビームが前記走査軌道上に集束し、該集束した焦点位置が前記走査軌道上を往復走査するように、前記ビームの光路を変化させる第４ステップと、
前記走査軌道を変化させる第５ステップとを含むことを特徴とする微小物の姿勢制御方法。
【請求項６】
前記微小棒状物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け付ける第６ステップと、
前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される前記走査軌道の３次元位置とを使用して、前記走査軌道の移動先である目標軌道の３次元位置を決定する第７ステップと、
前記ビームが前記目標軌道上に集束するように、前記ビームの光路を変化させる第８ステップとを含むことを特徴とする請求項５に記載の微小物の姿勢制御方法。
【請求項７】
２本のビームを生成する第１ステップと、
前記ビームに対して非透過性若しくは周囲の媒質よりも低い屈折率を有する微小棒状物を複数台のカメラによって撮像する第２ステップと、
複数台の前記カメラによって撮像される複数枚の画像から、前記微小棒状物の長手方向に沿って、前記微小棒状物を挟んで位置する２本の走査軌道を決定する第３ステップと、
２本の前記ビームの各々が対応する２本の前記走査軌道上に集束され、集束されたこれら焦点位置が同期して各々の前記走査軌道上を走査するように、前記ビームの光路を変化させる第４ステップと、
２本の前記走査軌道を変化させる第５ステップとを含むことを特徴とする微小物の姿勢制御方法。
【請求項８】
前記微小物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け付ける第６ステップと、
前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される２本の前記走査軌道の３次元位置とを使用して、各々の前記走査軌道に対応する移動先の目標軌道の３次元位置を計算する第７ステップと、
２本の前記ビームの各々が対応する前記目標軌道上に集束するように、前記ビームの光路を変化させる第８ステップとを含むことを特徴とする請求項７に記載の微小物の姿勢制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小棒状物の姿勢制御装置及び姿勢制御方法に関し、特に、化学分析、医療、環境計測等の諸分野において有用な機能を有するウイスカやナノワイヤ等の棒状材料物質、マイクロマシンにおける棒状マイクロ構造物など、微小な棒状の対象物の３次元空間における位置及び姿勢を、非接触で精密に自動操作することができる微小棒状物の姿勢制御装置及び姿勢制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノチューブやナノワイヤなどのアスペクト比の高い、即ち細長い形状の新規な材料物質が開発され、その極微細かつ特異な構造を応用した技術の開発が活発に行われている。また、従来から、アスペクト比の高い材料としては、針状のウイスカなどが知られている。これら、ナノメートルサイズの機能性材料を極微量だけ利用し、マイクロメートルサイズの分析装置上に配置することによって、超小型の高機能な分析装置等を開発するナノ・オン・マイクロ（Ｎａｎｏ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏ）の概念が提案されるに至っている。
【０００３】
マイクロメートルサイズのマイクロ構造物の組立は、接触型のマイクロハンドを使用して行うことが検討されている。また、レーザ光を使用する光ピンセット法によってマイクロメートルサイズの微粒子を非接触で操作できることや（下記特許文献１参照）、レーザ光を高速走査するレーザ走査マニピュレーション法を使用すれば、単一のレーザ光を使用して、高屈折率の球状微粒子を接続して作製したような微小構造物を、レーザ光の光軸に対して長手方向が直交する姿勢で安定に捕捉できることが知られている（下記非特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開昭６４−３４４３９号公報
【０００５】
【非特許文献１】
三輪昌史、外２名，「微小構造物のレーザー走査マニピュレーションによる保持」，電学論Ｅ，１２０巻７号，平成１２年，ｐｐ．３４５−３４９
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ナノチューブやナノワイヤに関しては、未だそれらを大量に製造する技術を開発する段階であり、ナノ・オン・マイクロの装置を開発するために必要となる、これら単一の材料を容易に操作する技術、例えば、ナノチューブやウイスカなどの先端部のみを特定の位置に固定するための操作技術や、配向を制御してこれらの極微量の材料を精密塗布する技術などを開発できる段階には至っていない。このため、これら材料の電気的特性や機械的強度などの物性を測定するためには、原子間力顕微鏡などの高価な設備を使用しているのが現状である。
【０００７】
また、接触型のマイクロハンドを使用する場合、マイクロハンドと操作被対象物であるマイクロ構造物との間の表面間力などに起因する付着などにより、精密な操作が困難であり、マイクロハンドの操作には非常な熟練を必要とした。このため、球形でないマイクロ構造物の組立に必要な姿勢操作や自動操作は実現されていない。
【０００８】
また、光ピンセット法によって安定に捕捉可能な対象物は、球状物質や焦点位置におけるレーザ光のスポットサイズに対して比較的大きな細胞に限定されており、レーザ光の放射圧により回転モーメントが発生するマイクロ構造物やウイスカ等の棒状物質を安定して操作することはできなかった。
【０００９】
また、レーザ走査マニピュレーション法では、ウイスカ等の棒状物質や、金属又は低屈折率の材料で作られた微小棒状物について、３次元空間において任意の姿勢で捕捉し、姿勢制御を行うことはできなかった。
【００１０】
以上のように、表面間力や材料の光学的性質に影響されることなく、微小棒状物を３次元空間において、任意の姿勢で捕捉し、その姿勢を制御する技術の開発が上記分野における重要な課題の１つとなっていた。
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明は、媒質（液体又は気体）中において、対象物の光学的性質に影響されることなく、非接触で、微小な棒状の形状を有する物質（以下、微小棒状物と記す）の３次元空間中の位置及び姿勢を、安定、正確、且つ自動的に操作することができる微小棒状物の姿勢制御装置及び姿勢制御方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１３】
即ち、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御装置（１）は、微小棒状物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小棒状物の姿勢制御装置であって、複数台のカメラと、ビームを出力するビーム出力部と、入射する前記ビームの光路を変化させて出力する焦点移動部と、前記焦点移動部から出力される前記ビームを集束する集束部と、制御部と、操作部とを備え、前記微小棒状物が、前記ビームに対して周囲の媒質よりも高い屈折率を有し、前記ビームを屈折透過し、前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる前記微小棒状物の複数枚の画像から、前記微小棒状物の骨格ラインを抽出して走査軌道とし、前記焦点移動部を制御して、前記焦点移動部から出力される前記ビームが前記集束部によって前記走査軌道上に集束され、該集束した焦点位置が前記走査軌道上を往復走査するように、前記焦点移動部に入射する前記ビームの光路を変化させて、前記微小棒状物を捕捉し、前記操作部からの指示を受け、前記焦点移動部を制御して前記走査軌道を変化させることを特徴としている。
【００１４】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御装置（２）は、上記微小棒状物の姿勢制御装置（１）において、前記制御部が、前記操作部から、前記微小棒状物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け、前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される前記走査軌道の３次元位置とを使用して、前記走査軌道の移動先である目標軌道の３次元位置を決定し、前記焦点移動部を制御して、前記焦点移動部から出力される前記ビームが、前記集束部によって前記目標軌道上に集束されるように、前記焦点移動部に入射する前記ビームの光路を変化させることを特徴としている。
【００１５】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御装置（３）は、姿微小棒状物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小棒状物の姿勢制御装置であって、複数台のカメラと、２本のビームを出力するビーム出力部と、入射する２本の前記ビームの光路を変化させて出力する焦点移動部と、前記焦点移動部から出力される２本の前記ビームを集束する集束部と、制御部と、操作部とを備え、前記微小棒状物が、前記ビームに対して非透過性若しくは周囲の媒質よりも低い屈折率を有し、前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる前記微小棒状物の複数枚の画像から、前記微小棒状物の長手方向に沿って、前記微小棒状物を挟んで位置する２本の走査軌道を決定し、前記焦点移動部を制御して、２本の前記ビームの各々が前記集束部によって対応する２本の前記走査軌道上に集束され、集束されたこれら焦点位置が同期して各々の前記走査軌道上を走査するように、前記焦点移動部に入射する２本の前記ビームの光路を変化させてビームの空洞を形成し、前記微小棒状物を前記空洞内に捕捉し、前記操作部からの指示を受け、前記焦点移動部を制御して２本の前記走査軌道を変化させることを特徴としている。
【００１６】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御装置（４）は、上記微小棒状物の姿勢制御装置（３）において、前記制御部が、前記操作部から、前記微小棒状物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け、前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される２本の前記走査軌道の３次元位置とを使用して、各々の前記走査軌道に対する移動先の目標軌道の３次元位置を決定し、前記焦点移動部を制御して、前記焦点移動部から出力される２本の前記ビームの各々が、前記集束部によって対応する前記目標軌道上に集束されるように、前記焦点移動部に入射する前記ビームの光路を変化させることを特徴としている。
【００１７】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御方法（１）は、ビームを生成する第１ステップと、周囲の媒質よりも高屈折率を有し、前記ビームを透過する微小棒状物を複数台のカメラによって撮像する第２ステップと、複数台の前記カメラによって撮像される複数枚の画像から、前記微小棒状物の骨格ラインを抽出して走査軌道とする第３ステップと、前記ビームが前記走査軌道上に集束し、該集束した焦点位置が前記走査軌道上を往復走査するように、前記ビームの光路を変化させる第４ステップと、前記走査軌道を変化させる第５ステップとを含むことを特徴としている。
【００１８】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御方法（２）は、上記微小棒状物の姿勢制御方法（１）において、前記微小棒状物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け付ける第６ステップと、前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される前記走査軌道の３次元位置とを使用して、前記走査軌道の移動先である目標軌道の３次元位置を決定する第７ステップと、前記ビームが前記目標軌道上に集束するように、前記ビームの光路を変化させる第８ステップとを含むことを特徴としている。
【００１９】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御方法（３）は、２本のビームを生成する第１ステップと、前記ビームに対して非透過性若しくは周囲の媒質よりも低い屈折率を有する微小棒状物を複数台のカメラによって撮像する第２ステップと、複数台の前記カメラによって撮像される複数枚の画像から、前記微小棒状物の長手方向に沿って、前記微小棒状物を挟んで位置する２本の走査軌道を決定する第３ステップと、２本の前記ビームの各々が対応する２本の前記走査軌道上に集束され、集束されたこれら焦点位置が同期して各々の前記走査軌道上を走査するように、前記ビームの光路を変化させる第４ステップと、２本の前記走査軌道を変化させる第５ステップとを含むことを特徴としている。
【００２０】
また、本発明に係る微小棒状物の姿勢制御方法（４）は、上記微小棒状物の姿勢制御方法（３）において、前記微小物の姿勢変化情報及び／又は位置変化情報の入力を受け付ける第６ステップと、前記姿勢変化情報及び／又は位置変化情報と、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像から計算される２本の前記走査軌道の３次元位置とを使用して、各々の前記走査軌道に対応する移動先の目標軌道の３次元位置を計算する第７ステップと、２本の前記ビームの各々が対応する前記目標軌道上に集束するように、前記ビームの光路を変化させる第８ステップとを含むことを特徴としている。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。即ち、微小棒状物の空間的な３次元姿勢及び位置を自動制御する微小棒状物の姿勢制御装置及び制御方法について説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御装置の概略構成を示すブロック図である。姿勢制御装置は、制御部５と、第１及び第２カメラ部４、４’と、光源７と、第１焦点移動機構１２とを備えて構成されている。制御部５は、後述する制御及びデータ処理を行う処理部（以下、ＣＰＵと記す）２０と、データを一時的に記憶するメモリ部２１と、データを持続的に記録する記録部２２と、操作部２３と、制御インタフェース部２４と、ビデオ部２５と、制御部５内部でデータを交換するためのデータバス２６と、表示部２７とを備えている。第１焦点移動機構１２は、制御インタフェース部２４を介して、ＣＰＵ２０によって制御され、光源７から発せられたレーザ光を、顕微鏡（図示せず）試料面内に配置された微小棒状物３に導いて、後述するように微小棒状物３を捕捉する。図１では、光源７から微小棒状物３に対して照射されるレーザ光の経路は省略している。また、第１及び第２カメラ部４、４’からの映像信号は、ビデオ部２５を介して表示部２７に表示され、必要に応じて、ディジタルデータとしてフレーム毎に記録部２２に記録される。
【００２２】
図２は、レーザ光１による微小棒状物３の捕捉および姿勢変更を模式的に示す斜視図である。ここで、微小棒状物３の材質は、照射されるレーザ光１を透過し、微小棒状物３が浮遊する周囲の媒質よりも高屈折率である。図１に示した光源７から射出されたレーザ光１は、微小棒状物３内に集束し、図２に示したように、微小棒状物３内部をその長手方向の骨格に沿って軌道２上を往復走査するように、第１焦点移動機構１２によって光路が制御される。図２において、レーザ光１が軌道２の両端に位置する状態を破線で表わしている。この高密度に集束されたレーザ光１によってレーザ走査マニピュレーションの原理により、図２に示したように微小棒状物３を安定に捕捉することができる。このとき、レーザ光１を往復走査すべき骨格の３次元位置は、異なる位置に配置された２つのカメラ部４、４’で、微小棒状物３を撮影することによって得られる２枚の視差を有する画像から、立体視の原理に基づいて計算される。
【００２３】
図３は、図１に示した姿勢制御装置における光学系構成の一実施の形態をより詳細に示すブロック図である。光源７からのレーザ光１は、ビームエクスパンダ８によって径、即ちレーザ光１の空間的広がりを変化され、電磁シャッタ１１を介し、ガルバノミラー対及び焦点位置変更レンズを装備して構成される第１焦点位置移動機構１２を経由し、リレーレンズ１４によって落射照明光の軸と一致させて顕微鏡６内に導入される。
【００２４】
上記したレーザ光１は、顕微鏡６の対物レンズ１５によりその焦点位置で、微小棒状物３の断面の大きさよりも小さい波長限界程度、例えば１μｍ程度のスポットサイズまで高密度に集束される。さらに、微小棒状物３は第１及び第２カメラ部４、４’から得られる２枚の画像上で認識され、これらの画像を基に、微小棒状物３の骨格の位置が計算され、集束されたレーザ光１の顕微鏡６内での焦点座標が骨格上に位置するように、第１焦点位置移動機構１２が制御される。
【００２５】
次に、上記したようにレーザ光１によって安定に捕捉された微小棒状物３の姿勢及び位置を制御する方法に関して説明する。図４は、本発明の実施の形態に係る姿勢制御方法を示すフローチャートである。以下において、ＣＰＵ２０は、処理に必要なデータを記録部２２から読み出し、メモリ部２１上で計算を行い、計算結果を必要に応じて記録部２２に記録する。
【００２６】
ステップＳ１において、ＣＰＵ２０は、操作部２３からの指示を受けて、第１及び第２カメラ部４、４’からの画像データを、ビデオ部２５を介して記録部２２に取り込む。例えば、第１及び第２カメラ部４、４’から出力される映像データがアナログ信号である場合、第１及び第２カメラ部４、４’からの信号は、所定のタイミングでビデオ部２５においてＡ／Ｄ変換された後、各々１フレーム分のディジタル画像データ（同時刻の２枚の画像データ）として記録部２２に記録される。
【００２７】
ステップＳ２において、ＣＰＵ２０は、取り込んだ２枚の画像データの各々について画像処理を行い、微小棒状物３のエッジを検出する。エッジ検出するための画像処理には、微分法、Ｓｏｂｅｌ法、Ｒｏｂｅｒｔｓ法、ラプラシアン法（Ｌａｐｌａｃｉａｎ）などの各種の方法が既知であるので、ここでは説明を省略する。これらのエッジ検出方法、若しくはこれらと他の処理とを組み合わせたエッジ検出方法の何れの方法を使用してもよい。
【００２８】
ステップＳ３において、ＣＰＵ２０は、ステップＳ２でエッジ検出された２枚の画像の各々に対して骨格を袖出する画像処理を行う。例えば、微小棒状物３が円柱状の場合、検出されるエッジ画像は図５に示したような画像になる。ＣＰＵ２０は、２次元画像上に点Ｏを原点とする直交座標軸Ｘ、Ｙを設定し、最外周に位置する頂点Ａ〜Ｄの４点の相互距離を計算し、微小棒状物３の長手方向（図５ではＡＤ方向又はＢＣ方向）を判断する。次に、ＣＰＵ２０は、近接する２点Ａ及びＢ、２点Ｃ及びＤの各々の中点Ｇ１、Ｇ２（図５においてｎ＝１）の座標を計算する。これらの２点Ｇ１、Ｇ２を結ぶ線分が、２次元画像上での微小棒状物３の骨格ラインとなる。このように、視差を有する２枚の画像の各々を処理し、各画像に対して骨格ラインの両端を表わす２点、合計４点の座標を計算する。
【００２９】
エッジ検出された微小棒状物３の長手方向のエッジラインが直線でない場合、近接する２点、例えば点Ａ、Ｂから、長手方向にあり各々に対応する２点Ｄ、Ｃとの間のエッジラインをｎ等分して点Ｅｉ（ＸＥｉ，ＹＥｉ）、Ｆｉ（ＸＦｉ，ＹＦｉ）（ｉ＝１〜ｎ＋１）を決め、２点Ｅｉ、Ｆｉの中点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）を求めて、各々の中点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）を通るラインを骨格ラインとすればよい（図５参照）。ここで、点Ａ、Ｂを各々点Ｅ１、Ｆ１とし、点Ｄ、Ｃを各々点Ｅｎ＋１、Ｆｎ＋１とする。
【００３０】
ステップＳ４において、ステップＳ３で骨格ラインが検出された２枚の画像を視差画像として、第１及び第２カメラ部４、４’の位置座標を考慮して立体画像処理を行い、骨格ライン上のＧｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の３次元座標を計算する。
【００３１】
ステップＳ５において、ＣＰＵ２０は、ステップＳ４で３次元座標を計算された点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）を結ぶ骨格ライン上にレーザ光１が集束し、骨格ライン上を高速に往復走査するように、制御インタフェース部２４を介して、第１焦点移動機構１２を制御し、レーザ光１の照射を開始する。このとき、レーザ光１は、走査軌道である骨格ラインの両端の点Ｇ１、Ｇｎ＋１の少し手前で走査方向を反転されてもよく、また、少し超えた点で走査方向を反転されてもよい。これによって、上記したようにレーザ走査マニピュレーションの原理で微小棒状物３が安定に捕捉される。
【００３２】
微小棒状物３が捕捉された後、ステップＳ６において、ＣＰＵ２０は、微小棒状物３の姿勢及び位置を変更する指示が、操作部２３を介して指定されるのを待ち受ける。微小棒状物３の姿勢及び位置の変化は、ステップＳ５で微小棒状物３の骨格ラインの３次元位置を指定するのに使用した座標系における回転ベクトルＲ及び並進ベクトルＶで記述できる。従って、回転ベクトルＲ及び並進ベクトルＶが操作部２３から指定され得るようにしておけばよい。これによって、骨格ラインを画定する各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の相互の間隔が保持される。ＣＰＵ２０は、入力されたベクトルＲ、ベクトルＶを基に、骨格ライン上の各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の３次元座標（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ）から、移動後の位置座標（Ｘｅｉ，Ｙｅｉ，Ｚｅｉ）（以下、目標位置座標と記す）を計算する。
【００３３】
ステップＳ６で骨格ライン上の各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の目標位置座標が計算された後、ステップＳ７において、骨格ライン上の各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）を目標位置にゆっくりと移動させるために、最初の微小移動に対応する微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算する。これは、微小棒状物３を捕捉しているレーザ光１の走査軌道の変化が速過ぎると、微小棒状物３を安定に捕捉することができないからである。位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）は、骨格ライン上の各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の現在の３次元座標（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ）と、微小回転ベクトルΔＲ及び微小並進ベクトルΔＶとを基に計算する。ベクトルΔＲ及びΔＶには、例えば、それぞれベクトルＲ及びＶをＮ等分したものを使用すればよい。ここで、Ｎの値はレーザ光１の焦点の移動が速過ぎないように決定されることが望ましい。
【００３４】
ステップＳ８において、ＣＰＵ２０は、第１焦点移動機構１２を制御して、レーザ光１の集束位置を微小量だけ変化させて、ｎ＋１個の点（Ｘｓｉ＋ΔＸｉ、Ｙｓｉ＋ΔＹｉ、Ｚｓｉ＋ΔＺｉ）（ｉ＝１〜ｎ＋１）を結ぶ軌道上でレーザ光１を高速に走査させる。これによって、微小棒状物３は、レーザ走査マニピュレーションの原理によって捕捉された状態を維持して、レーザ光１の焦点位置の微小移動に応じて微小移動する。
【００３５】
ステップＳ９において、ＣＰＵ２０は、ステップＳ１〜Ｓ４と同様に第１及び第２カメラ部４、４’から画像を取り込み、ステップＳ４で決定された骨格ラインを画定する点、即ち点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の現在位置座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を計算する。
【００３６】
ステップＳ１０において、ＣＰＵ２０は、両端の２点Ｇ１及びＧｎ＋１に関して、現在位置座標と（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（ｉ＝１又はｎ＋１）とステップＳ６で計算した目標座標（Ｘｅｉ，Ｙｅｉ，Ｚｅｉ）との差の絶対値｜Ｘｉ−Ｘｅｉ｜、｜Ｙｉ−Ｙｅｉ｜、｜Ｚｉ−Ｚｅｉ｜を計算し、各々の値が所定の値以下であるか否かを判断する。全ての差の絶対値が、所定の値以下であると判断した場合、ステップＳ１２に移行する。少なくとも１つの差の絶対値が、所定の値以下で無いと判断した場合、ステップＳ１１に移行する。
【００３７】
ステップＳ１１において、ＣＰＵ２０は、（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（ｉ＝１〜ｎ＋１）を移動開始点として、ステップＳ７と同様に、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算した後、ステップＳ８に移行する。
【００３８】
ステップＳ１０において、全ての差の絶対値が、所定の値以下であると判断されるまで、即ち、目標位置に２点Ｇ１及びＧｎ＋１が到達したと判断されるまで、ステップＳ８〜Ｓ１１の処理を繰り返す。これによって、図２に示したように、微小棒状物３の姿勢及び位置を、走査軌道２から走査軌道２’の方向に変化させることができる。
【００３９】
ステップＳ１２において、ＣＰＵ２０は、停止の指示があったか否か判断し、停止の指示あったと判断した場合、レーザ光１の走査軌道の移動を停止して、その位置と姿勢で微小棒状物３を捕捉して一連の処理を終了し、停止の指示がなかったと判断した場合、微小棒状物３を移動する指示を受け付けるためにステップＳ６に戻り、ステップＳ６〜Ｓ１１の処理を繰り返す。
【００４０】
以上において説明した微小棒状物３の骨格ラインの検出方法は一例であり、上記した方法、処理順序に限定されず、公知の種々の方法を使用すればよい。
【００４１】
また、ステップＳ６での微小棒状物３の姿勢及び位置を変更する指示が、微小棒状物３の骨格ラインを画定する各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の３次元位置を指定するのに使用した座標系における回転ベクトルＲ及び並進ベクトルＶによって指定される場合を説明したが、所定の点、例えば両端の２点Ｇ１及びＧｎ＋１の移動後の位置（目標位置）を直接指定するようにしてもよい。その場合には、２点Ｇ１及びＧｎ＋１の距離を保持する条件で、各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の目標位置が指定され得るようにし、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算することが必要となる。この場合にも、最初に回転ベクトルＲ及び並進移動ベクトルＶを計算した後、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算してもよい。
【００４２】
また、上記では、円柱状、即ち骨格ラインを軸とする回転対称な形状を有する微小棒状物３を捕捉し、その姿勢及び位置を制御する場合について説明したが、骨格ラインに対して回転対称な形状を有しない微小棒状物３の場合、捕捉された微小棒状物３がレーザ光１の走査軸の回りに回転することがある。このような場合、骨格上を走査するビームよりもパワーの小さなレーザ光をさらにもう１本使用し、回転軸、即ちレーザ光１の走査方向に対して直交する方向に走査することによって、回転の発生を防止することができる。
【００４３】
また、微小棒状物３を捕捉し、操作するためのビームとして使用するレーザ光１の波長は特に限定されず、光学レンズによって高密度に集束可能で、微小棒状物３に照射された場合に、微小棒状物３を透過し、その焦点位置に向かって捕捉力を発生する波長であればよい。
【００４４】
また、微小棒状物３を捕捉し、操作するためのビームは、レーザ光に限定されず、光学レンズ等の集束手段によって高密度に集束可能で、微小棒状物３に照射された場合に、微小棒状物３を透過し、その焦点位置に向かって捕捉力を発生するものであればよい。例えば、白色光でもよく、電磁気的な集束手段によって集束可能な荷電粒子（α粒子、電子、陽子、荷電素粒子など）を使用してもよい。
【００４５】
また、微小棒状物３の姿勢や位置を各々３次元データとして指定するのではなく、微小棒状物３の移動経路を指定した一連の時系列座標データや、微小棒状物３の姿勢変化を関数として指定し、これらに基づいて微小棒状物３の姿勢制御を自動的に行うようにしてもよい。
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御装置の概略構成を示すブロック図である。周囲の媒質よりも低屈折率又は光を反射する金属性の微小棒状物の場合には、レーザ光を微小棒状物の内部に集束させて捕捉することができないので、図６に示した微小棒状物の姿勢制御装置では、２本のレーザ光を使用して、低屈折率又は光を反射する金属性の微小棒状物を捕捉するために、２本のレーザ光の焦点位置を各々独立に制御することができるように、図１に示した微小棒状物の姿勢制御装置にさらに第２焦点移動機構１２’を備えた構成となっている。
【００４６】
図７は、図６に示した微小棒状物の姿勢制御装置における光学系構成の一実施の形態をより詳細に示すブロック図であり、図３に示した微小棒状物の姿勢制御装置と比較すれば、半波長板９と、第１偏光ビームスプリッタ１０、１０’と、電磁シャッタ１１’と、第２焦点移動機構１２’と、第２偏光ビームスプリッタ１３、１３’とをさらに備えている。
【００４７】
光源７から射出されるのレーザ光は、ビームエクスパンダ８で径を変換され、半波長板９を通り、第１偏光ビームスプリッタ１０、１０’により２本の経路に分解され、それぞれ電磁シャッタ１１、１１’を介した後に、ガルバノミラー対および焦点位置変更レンズで構成される焦点位置移動機構１２、１２’を経由して、第２偏光ビームスプリッタ１３、１３’で再び同軸とされた後、リレーレンズ１４により落射照明光の軸と一致させて顕微鏡６内に導入される。
【００４８】
第１の実施の形態と同様に、分解された２本のレーザ光は、顕微鏡の対物レンズ１５によりその焦点位置で、レーザ光の波長限界程度、例えば１μｍ程度のスポットサイズまで高密度に集光される。このとき、２本のレーザ光の各々の焦点の位置は、第１及び第２カメラ部４、４’によって撮影される２枚の画像を、視差を有する画像として処理することによって求められる微小棒状物３’の３次元情報を基に、微小棒状物３’の長手方向に沿って微小棒状物３’の外側近傍を、同期して走査するように、即ち２本のレーザ光の焦点が、常に微小棒状物３’を挟んで対称に位置するように、制御部５によって第１及び第２焦点位置移動機構１２、１２’が制御されることによって、精密に操作される。これによって、図８に示すように、集束され、同期して往復走査される２本のレーザ光１’、１”の間の空間内に、微小棒状物３’を捕捉することができる。この際、２本の分解されたレーザ光１’、１”は偏光方向が直交するので互いに干渉を起こすことはなく、したがって、２本のレーザ光１’、１”の走査軌道の位置により互いの強度分布が変化することがなく、微小棒状物３’を安定して捕捉することができる。
【００４９】
次に、上記したように２本のレーザ光１’、１”によって安定に捕捉された微小棒状物３’の姿勢及び位置を制御する方法に関して説明する。本発明の実施の形態に係る姿勢制御方法では、図４に示したフローチャート（第１の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御方法）と同様の処理を行うので、以下においては、図４に示したフローチャートと異なる処理を中心に説明する。
【００５０】
ＣＰＵ２０は、図４に示したステップＳ１〜Ｓ４と同様の処理を行い、微小棒状物３’の骨格ライン上の点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の３次元座標を計算する。次に、ＣＰＵ２０は、点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）で画定される骨格ラインを、骨格ラインを挟んで相対する方向に、骨格ラインから所定の垂直距離ｄだけ平行移動させて、微小棒状物３’の外部近傍に位置する２本のラインＬ１、Ｌ２を求める（図８参照）。
【００５１】
次に、ＣＰＵは、図４に示したステップＳ５と同様に、２本のレーザ光の各々が、上記で決定した２本のラインＬ１、Ｌ２上に集束し、ラインＬ１、Ｌ２上を同期して高速に往復走査するように、制御インタフェース部２４を介して第１及び第２焦点移動機構１２、１２’を制御し、２本のレーザ光１’、１”の照射を行う。これによって、上記したように、集束され、同期して往復される２本のレーザ光１’、１”の間の空間内に、微小棒状物３’が捕捉される。
【００５２】
微小棒状物３’が捕捉された後、図４におけるステップＳ６〜Ｓ１１の処理と同様の処理を行う。このとき、ステップＳ６〜Ｓ１１における骨格ラインＧｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の代わりに、２本のラインＬ１、Ｌ２の各々に関して、目的座標の計算、微小移動量の計算、２本のレーザ光の走査軌道（ラインＬ１、Ｌ２）の微小移動の処理を、微小棒状物３’移動が完了したと判断するまで繰り返す。これによって、周囲の媒質よりも低屈折率又は光を反射する金属性の微小棒状物３’の姿勢及び位置を変化させることができる。
【００５３】
以上において、第１の実施の形態と同様に、微小棒状物３’の姿勢及び位置を変更する指示が、微小棒状物３’の骨格ラインを画定するのに使用した座標系における回転ベクトルＲ及び並進ベクトルＶによって指定される場合を説明したが、所定の点、例えば両端の２点Ｇ１及びＧｎ＋１の移動後の位置（目標位置）を直接指定するようにしてもよい。その場合には、２点Ｇ１及びＧｎ＋１の距離を保持する条件で、各点Ｇｉ（ｉ＝１〜ｎ＋１）の目標位置が指定され得るようにし、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算することが必要となる。この場合にも、最初に回転ベクトルＲ及び並進移動ベクトルＶを計算した後、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算してもよい。
【００５４】
また、微小棒状物３’を捕捉し、操作するためのビームとして使用するレーザ光の波長は特に限定されず、光学レンズによって高密度に集束可能で、微小棒状物３’に照射された場合に、微小棒状物３’によって反射される波長、あるいはその焦点位置に向かって反発力を発生する波長であればよい。
【００５５】
また、微小棒状物３’を捕捉し、操作するためのビームは、レーザ光に限定されず、光学レンズ等の集束手段によって高密度に集束可能で、微小棒状物３’に照射された場合に、微小棒状物３’によって反射されるもの、あるいはその焦点位置に向かって反発力を発生するものであればよい。例えば、白色光でもよく、電磁気的な集束手段によって集束可能な荷電粒子（α粒子、電子、陽子、荷電素粒子など）を使用してもよい。
【００５６】
また、微小棒状物３’の姿勢や位置を各々３次元データとして指定するのではなく、微小棒状物３’の移動経路を指定した一連の時系列座標データや、微小棒状物３’の姿勢変化を関数として指定し、これらに基づいて微小棒状物３’の姿勢制御を自動的に行うようにしてもよい。
【００５７】
さらに、本発明は上記した第１及び第２の実施の形態の構成に限定されるものではなく、微小棒状物を捕捉するためのビームの選択、光学系などは適宜設計変更され得るものであり、処理に関しても、処理の付加、処理順序の変更など適宜変更され得るものである。
【００５８】
【発明の効果】
本発明によれば、微小棒状物に不安定な回転や振動を発生させることなく、非接触で３次元空間内において安定な捕捉と姿勢制御を自動的に行うことができる。したがって、本発明を用いれば、３次元の微小空間において、姿勢及び位置を指定して微小棒状物を精密に運搬することが可能となり、マイクロマシニング技術で作製されるような柱状のマイクロ構造物の自動組立が容易となる。
【００５９】
また、本発明によれば、針状のウイスカ、ナノワイヤ、ナノチューブなど、マイクロメートルサイズやナノメートルサイズであることによって初めて発現する多様な機能を有する材料を１本だけ取りだして、特定の位置にその配向を制御して配置するような作業が、原子間力顕微鏡のような高価な設備を用いることなく容易に実行可能となることから、マイクロメートルサイズやナノメートルサイズの機能性材料を必要最小量のみ用いた、超小型かつ高機能のセンシングデバイスの構築が可能となる。
【００６０】
さらに、上記した操作はすべて非接触で行うことができるため、外乱物質や細菌の混入を防止できる閉鎖系環境での作業が可能であり、長期間の安定した環境下でのμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）やマイクロマシンの自動生産が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御装置の概略を示すブロック図である。
【図２】姿勢制御の対象である透明な微小棒状物がレーザ光によって捕捉された状態を模式的に示す斜視図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御装置の光学系を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御方法を示すフローチャートである。
【図５】微小棒状物のエッジ画像から骨格を抽出する処理の一例を説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御装置の概略を示すブロック図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る微小棒状物の姿勢制御装置の光学系を示すブロック図である。
【図８】姿勢制御の対象である不透明な微小棒状物がレーザ光によって捕捉された状態を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
１、１’、１”    集束されたレーザ光
２、２’    走査軌道
３、３’    微小棒状物
４、４’    第１及び第２カメラ
５    制御部
６    顕微鏡
７    レーザ光源
８、８’    ビームエクスパンダ
９    半波長板
１０、１０’    第１偏光ビームスプリッタ
１１、１１’    電磁シャッタ
１２、１２’    第１及び第２焦点位置移動機構
１３、１３’    第２偏光ビームスプリッタ
１４    リレーレンズ
１５    対物レンズ
１６    試料面
２０    処理部（ＣＰＵ）
２１    メモリ部
２２    記録部
２３    操作部
２４    制御インタフェース部
２５    ビデオ部
２６    バス
２７    表示部
【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】
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【図８】
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