(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
顕微鏡画像を観察しながら、オペレーターが顕体試料の微細加工作業を行なう装置において、ビジュアルフィードバック手段を用いて、作業用プローブ針先と顕体試料とを常時顕微鏡観察画像視野の中に捉え、該作業用プローブ針先を前記顕微鏡とは異なる画像で常時観察しながら、顕微鏡の設定倍率から計算された変位量と実際に必要な変位量との差異を即時に計算しフィードバックすることにより、顕微鏡設定倍率における光学的誤差と機構的誤差とを吸収し、コンピューター制御により前記作業用プローブ針先の位置を是正し、オペレーターが微細作業を行なうことを特徴とする微細作業用マイクロマニピュレーション装置。
【請求項２】
ビジュアルフィードバック手段を用いて、プローブ針先の観察を顕微鏡画像で行なうのと同時に、顕微鏡試料室内に設置されたモニタリング用テレビカメラの画像によって行なうことを特徴とする請求項第１項に記載の微細作業用マイクロマニピュレーション装置。
【請求項３】
任意の方向への平面移動と顕体試料上の直線を中心とした回転が可能なベース上に、作業台と複数のマニピュレータを置くことによって、作業台とマニピュレータの動きを基本的に結合し、作業台とマニピュレータの微細な動きを、各々の位置で独立に行なえるようにし、ビジュアルフィードバック手段を用いて、テレビカメラにて顕体試料とマイクロプローブ先端を同時観察モニタリングして、顕微鏡設定倍率から計算された変位量と実際に必要な変位量との微妙な差異をリアルタイムで計算しフィードバックし、オペレーターよる微細作業をより確実に行なうようにしたことを特徴とする請求項第１項に記載の微細作業用マイクロマニピュレーション装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、極めて微細な顕体試料を、光学または電子顕微鏡の視野の中に捉えて、その画像を観察しながら該顕体試料の加工や移動等の微細作業を行なうための装置に関するものであり、更に詳しくは、顕体試料の顕微鏡観察下での作業をテレビモニターカメラで追跡しながら行なう微細作業用マイクロマニピュレーション装置を提供する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、微小な顕体試料を、単に顕微鏡で観察するだけではなく、顕微鏡下で極めて微細な加工を行なうという、所謂微細作業は一般的に行なわれていた。
しかしながら、特に近年、マイクロマシンの開発、あるいはバイオ関連の技術の発達に伴い、顕体試料を顕微鏡視野の中に捉えてマニピュレータを用いて何らかの高度な加工を加えることに対する要求と重要性は、その精度の向上とともにいままで以上に高度化しつつある。この技術は、単に対象となる顕体試料の微小化に伴なう運動分解能の高精度化を要求するのみならず、極微小な顕体試料を顕微鏡視野の中で、特定部位を操作するハンドリング技術の高精度化と簡易化を要求するものであり、顕体試料側の動きの自由度を多くした上で微細作業の操作性、確実性を確保したものでなければならない。
【０００３】
微小な作業に必要とされる動きは、顕体試料とマニピュレータに取り付けられたプローブのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向への直線移動、およびＺ軸回りの回転運動に集約される。各軸方向の直線移動は、例えば数１０μｍレベルでの微小な移動であれば、従来よりピエゾ素子にフィードバック用の変位検出機能を付加したものが一般的に用いられており、これによれば、変位検出手段にもよるが、高いものでは１ｎｍ以下の分解能も比較的容易に実現することも可能である。
【０００４】
また、回転運動については、一つの固定点を定めた上でその固定点回りの回転自由度を考慮した動きが可能であり、顕体試料を載置する試料ステージおよびマニピュレータを設置した駆動台を各々別個に回転することにより正確な回転を分解能高く行なうことができる。この場合回転中心は固定されており、微細加工作業においてはマニピュレータのプローブの先端が常に固定されているという利点を有する。また、本発明者等はすでに特願平１０−６２６０５において、回転中心を任意の位置に設定可能な微細作業用の作業台について提案を行なっている。
【０００５】
また、従来のこの種のマイクロマニピュレーション装置の場合、実際の微細加工作業を行なうには、先端に加工用のプローブを搭載したマニピュレータを用いて行なう。マニピュレータを動かすことによりそのプローブ先端の針先で顕体試料の加工を行なうのであるが、通常、顕体試料の動きとプローブの動きとは独立したものとして設計されている。更に、加工作業における加工点の確認は、比較的視野が狭くまた焦点深度の浅い顕微鏡画像の中で行なうのであるから、制限が多く難度の高いものであった。
【０００６】
実際の微細加工作業、特にバイオテクノロジー分野においては顕体試料が生体であり、その形態は複雑な３次元構造をとる。具体的な微細加工作業としては、これらの試料の切断、穿孔、切除、剥離、貼付け、接合といった、ある特定部分に対して繰り返し動作を必要とする作業を主に挙げることができる。これらの作業を行なうためには、顕微鏡視野下においてまず顕体試料を捉え、その加工作業を行なう特定加工部位および加工方位を確定し観察顕微鏡光軸に固定した上で、その部位を自在に回転しあるいは傾斜転動し、同時にマニピュレータのプローブも同様に位置を変位させながら微細加工作業を行なうことが必要である。特に、繰り返し作業においては、プローブ針先の基準点（初期位置）の設定と作業に必要な移動距離の設定が極めて重要である。これがいささかでもずれたりすると作業の正確さを欠くこととなり、粗雑な作業となってしまう。
【０００７】
本発明者等は、すでに特願平１１−２５１５５号公報において、顕体試料を載置する作業台と複数のマニピュレータを搭載したマイクロマニピュレーション装置であって、前記作業台と複数のマニピュレータは各々独立した任意の方向への微細な動作を許容した上で、主たる動きが基本的に結合されたマイクロマニピュレーション装置を提案した。この装置であれば、試料とプローブ先端を顕微鏡の視野から外すことなく、より複雑な作業をより確実に精度よく行なうことができ、従来の装置が格段に向上されたことは明らかである。しかしながら、顕微鏡画像は極めて視野が狭くまた焦点深度も浅く、かつ二次元のものであるから、基本的には難度の高い作業であることには変わりがない。
【０００８】
また、一般的に、顕微鏡の観察画像においては、微細な光学的誤差や機構的な誤差が存在する。その顕微鏡観察画像での拡大倍率はこの光学的誤差や機構的誤差を加味した相対倍率であって、設定倍率（絶対倍率）からは微妙な変化、差異が見られるのである。その微妙な変化の幅は例えば設定倍率を１０００倍とした場合、９９０〜１０１０倍程度である。これらの微妙な変化、差異のある中でのマイクロマニピュレーション装置による顕体試料の微細かつ精緻な加工作業を、顕微鏡画像を観察しながら行なう場合、この差異が障害となり、加工作業の正確さを狂わすことにもなるのである。すなわち、前述の特定部位の切断等、微小繰り返し作業あるいは微小追い込み作業を必要とする場合、顕微鏡観察画像視野の中でプローブ針先の基準点（初期位置）からの必要変位量（移動距離）は、画像視野で確認した上で設定倍率から換算して数値化され設定される。しかしながら、実際の倍率は上述の光学的誤差や機構的誤差を加味した相対倍率であるので、設定倍率から計算された変位量は、実際に必要な変位量から微妙な差異があるのである。作業の過程の中で設定倍率を変化させて作業を行なうような場合、あるいは視野の位置を移動しながら作業を行なうような場合は特にその傾向が顕著である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者等は、上述の問題点に鑑み、マイクロマニピュレーション装置における微細作業の操作性および確実性のより一層の向上を行なうべく鋭意検討を行なった結果、顕微鏡観察画像視野の中で顕体試料の微細作業を行なうにおいて、プローブの針先を常時観察しながらその変位量を計算し、その変位量をフィードバックさせてゆくという所謂ビジュアルフィードバック手段を用いることにより、上述の光学的誤差や機構的誤差を吸収し得ることを見出したものである。すなわち、本発明の目的は極微細領域の観察、加工、確認を円滑かつ確実に行なうことのできる微細作業用マイクロマニピュレーション装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、顕微鏡画像を観察しながら、オペレーターが顕体試料の微細加工作業を行なう装置において、ビジュアルフィードバック手段を用いて、作業用プローブ針先と顕体試料とを常時顕微鏡観察画像視野の中に捉え、該作業用プローブ針先を前記顕微鏡とは異なる画像で常時観察しながら、顕微鏡の設定倍率から計算された変位量と実際に必要な変位量との差異を即時に計算しフィードバックすることにより、顕微鏡設定倍率における光学的誤差と機構的誤差とを吸収し、コンピューター制御により前記作業用プローブ針先の位置を是正し、オペレーターが微細作業を行なうことを特徴とする微細作業用マイクロマニピュレーション装置。プローブ針先の観察は、例えば顕微鏡試料室内に設置されたモニタリング用テレビカメラの画像によって行なうことができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の肝要は、マニピュレータを動かしながら、作業用プローブ針先と顕体試料とを常時顕微鏡観察画像視野の中に捉え、目視で確認しつつ微細作業を行なうにおいて、顕微鏡設定倍率に対して光学的誤差と機構的誤差から生じる微妙な変化、差異による作業の正確度への悪影響を防止するにある。即ち、設定倍率から計算された変位量と実際に必要な変位量との微妙な差異を、顕微鏡画像とは異なる画像、例えば顕微鏡試料室内に設置されたモニタリング用テレビカメラの画像によってプローブ針先を常時観察し、その実際の変位量をリアルタイムで計算しフィードバックすることによって是正して行くというビジュアルフィードバック手段を用いるのである。
【００１２】
本発明においては、例えば、任意の方向への平面移動と試料上の直線を中心とした回転が可能なベース上に、作業台と複数のマニピュレータを置くことによって、作業台とマニピュレータの動きを基本的に結合し、加工点すなわち試料表面とプローブ先端が顕微鏡の視野から外れることを防止し、しかも微細作業に必要な作業台とマニピュレータの微細な動きは、各々の位置で独立に行なえるようにし、更にマニピュレータの数を複数とすることで、微細作業を行なうようにしたマイクロマニピュレーション装置において、テレビカメラにて試料とマイクロプローブ先端を同時観察モニタリングして、顕微鏡設定倍率から計算された変位量と実際に必要な変位量との微妙な差異をリアルタイムで計算しフィードバックし、作業をより確実に行なうようにしたものである。モニタリングを行なうためのテレビカメラは、水平及び垂直の２方位に設置されており、９０度離れた方位からの試料表面とプローブ先端の画像を顕微鏡画像より遥かに広い視野で捉えることにより、微細作業をより確実にすることができるのである。
【００１３】
画像処理に当たっては、テレビカメラにより映し出された初期モニター画像において、予め、プローブ先端の初期位置（基準点）を記憶させ、次いで最大移動位置（待避位置）を記憶させておく。試料の位置および加工方位の設定は初期モニター画像から、オペレーターがマニュアルで行なう。実際の細部の微細加工作業は、オペレーターが顕微鏡画像を観察しながら行なうのであるが、一作業終了後のプローブ先端の位置移動は、顕微鏡画像を見ながらオペレーターがマニュアルで行なうのでなく、予め画像処理において設定されていた初期位置あるいは待避位置に、コンピューター制御により自動的に移動させることが可能であり、マニュアル作業による顕体試料との不必要な接触やそれに伴なう試料、プローブの破損等好ましからざる現象を回避することが可能である。
【００１４】
更に、実際の作業にあたっては、顕微鏡観察画像視野の中で２つの点、例えば始点と終点とを定め記憶し、この２点間をプログラムにより、作業用プローブ針先を繰り返し移動させることが行なわれる。即ちこれにより、切断や穿孔等の繰り返しによる作業がなされる。更には、プローブ針先の加工深度を少しずつ深くして行く所謂追込み加工のため、作業用プローブ針先の変位量を変数としたりまた、作業用プローブ針先の変位の速度や繰り返しの回数を変数として処理することも行なわれる。これらの作業は特に正確さを要するものであるから、画像処理にあたっては、これらの位置をテレビモニター画像上で捉え、記憶し、実際の作業において常時観察しつつ位置修正を行なえば、その作業の正確さは格段に向上するのである。すなわち、これらの作業をプログラム上で行なう従来の方法とはこの点で大いに異なるのである。記憶させる画像位置は始点と終点だけでなく、いくつ設定してもよいし、また、指定点間の移動は直線移動だけでなく自在な経路で行なうこともできる。また往復の経路を変えることもできる。
【００１５】
顕微鏡画像の倍率は、作業の内容によって異なるが、本発明になる微細作業用システムは、その微細作業が数十倍から数千倍程度の倍率の顕微鏡視野下で行なわれることを大前提としている。一方、テレビカメラによるモニター画像は、プローブ先端および顕体試料の位置を検知することをその目的とするものであるから、当倍ないしせいぜい数１０倍程度の倍率で十分であり、従ってその視野の広さは顕微鏡の視野とは格段に異なるのである。そして、その初期位置や待避位置あるいは作業位置を予め記憶させておくことにより、実際のモニター画像の倍率を考慮することなく、プローブ先端の所期の位置への移動は可能となる。
【００１６】
以下本発明の具体例を図面を用いて説明する。図１は本発明の微細作業用マイクロマニピュレーション装置の一実施例の構造を示す説明図であり、また、図２はそのマニピュレータ部分の拡大説明図である。更に、図３はその制御システムを示す説明図である。マニピュレータ９は円盤状のマニピュレータベース５上に載置されており、顕体試料３を載置する作業台２とともに可動ベース１の上に設置されている。マニピュレータ９はマニピュレータ駆動台８の上に載置されており、マニピュレータ駆動台の駆動によってＸ軸、Ｙ軸あるいはＺ軸の任意の方向へ正確に作動することが可能である。マニピュレータ９の先端には各々微細加工用の針状プローブ１１が取り付けられている。可動ベース１はＸ軸及びＹ軸方向への任意の移動が可能であると同時に加工試料表面上に引いた仮想直線Ｂ−Ｂ’を回転中心として傾斜回転駆動が可能である。この可動ベース１の駆動に伴ない、加工顕体試料３とマニピュレータ９は同時に動き、加工点すなわち試料表面とプローブ先端が大きくずれてしまうことを防止する。
【００１７】
顕微鏡光軸Ａ−Ａ’に対して水平および垂直の２方位にテレビカメラ１２および１２’が設置されている。図３に模式的に示す通り、テレビカメラにより映し出された画像はモニターテレビに表示されると同時に画像処理ボードに送られ上述の画像処理が施されるとともに、その信号はコンピュータに送られ、オペレーションパネルを介して送り込まれるオペレータの指示信号と融合し、作業台および各マニピュレータを稼動せしめる。そして、例えば画像処理ボードにおいて予めポイントを指定しておけば、必要回数同一の操作を繰り返して行なうことも可能である。
【００１８】
本発明に使用される顕微鏡としては、高性能の種々の光学顕微鏡の他に、電子顕微鏡を挙げることができるが、特に、電子線による解像を行なうタイプの顕微鏡においては試料を含めた全装置を高真空状態において観察し作業を行なうことが必要であるので、装置全体を高真空タイプのものとすることが必要となる。さらにこの場合は顕体試料作業台、マニピュレータを含んだ部材が例えばアルミ、燐青銅、タングステン、セラミックス、ガラス等の非磁性材料で構成されることが好ましい。
【００１９】
【実施例】
本発明の微細作業用マイクロマニピュレーション装置による試料のセッティングからプローブ操作に至るまでの微細作業の操作手順の具体的実施例を模式的な説明図を用いて説明を行なうが、これにより特に限定を受けるものではない。図４はその操作手順を示すプロセス図である。
【００２０】
実際の微細作業実験においては、顕微鏡の２００倍の観察画像に対して、モニターテレビ画像に映し出された視覚情報内に、パソコンを用いてマウスにより作業点２点を教示する。即ち、マニピュレータ針先の形状を記憶させた上で針先をマウスでポイントし、次いで作業の始点および終点をポイントする。自動的に針先を始点に移動させ、縦、横各々の１画素分の移動量を計算させる。設定された作業の始点および終点を結ぶ直線の傾きと、前述の１画素分の移動量とから必要なマニピュレータの移動情報を計算させる。この情報に基づきマニピュレータを始点から終点に向かって移動させる。この作業を繰り返し行なうことにより、微細作業が行なわれるのである。
【００２１】
設定された始点から終点までの移動は、例えばピエゾ素子を用いて行われるのであるが、この移動は繰り返しを何回も続けるに従って、顕微鏡観察画像における拡大倍率の光学的誤差や機構的誤差あるいはヒステリシス等の影響により、マウスにて画面上の教示された点と、マニピュレータの移動点が微妙に異なるようになり、所期の教示通りの繰り返し作業を行なうことが困難となる。
【００２２】
そこで、モニター画像による情報から、ポイント毎にマニピュレータの先端の位置をフィードバックし、教示直線上に補正を行なう処理を加え、二つの作業点を都度再教示させた後、マニピュレータに繰り返し行なわせる実験を行なった。
この処理を加えることにより、教示通りの作業点間の繰り返し作業を、全く狂いなく行なうことができるようになった。即ち、精緻な作業を寸分の狂いなく行なうことが可能となったのである。
【００２３】
【発明の効果】
以上述べた通り、本発明になる微細作業用装置によれば、光学または電子顕微鏡の視野の中に顕体試料を捉えて、その画像を観察しながら顕微鏡視野下での顕体試料のマニピュレータによる加工を行なうという所謂微細作業において、その操作の確実性、迅速性を確立することが可能になった。就中、顕体試料を顕微鏡視野の中に捉えての上での例えば、繰り返し作業における基準点（作業点）を、使用している顕微鏡とは異なったモニターテレビの画像にて捉えコンピュータにて制御して補正して行くのであるから、その作業性は極めて正確となるとともに、作業自体の状態もモニタリングできるようになる。すなわち、従来比較的不十分であった顕体試料への繰り返し作業の正確さが本発明により初めて達成されたものであり、特に顕微解剖等を目的とするバイオ分野、ミクロンオーダーの機械の組立て加工、顕微鏡下での化学反応のダイナミック追跡あるいはトライボロジーの分野等においてその効果は極めて顕著である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微細作業用マイクロマニピュレーション装置の一実施例の構造を示す説明図である。
【図２】マニピュレータ部分の要部拡大説明図である。
【図３】本発明の微細作業用マイクロマニピュレーション装置の制御システムを示す説明図である。
【図４】本発明の微細作業用マイクロマニピュレーション装置による試料のセッティングからプローブ操作に至るまでの操作手順の一実施例を示すプロセス図である。
【符号の説明】
１：可動ベース、    ２：顕体試料作業台、    ３：顕体試料、
４：マニピュレータベース支持体、    ５：マニピュレータベース、
６：マニピュレータ粗動ステージ、    ７：マニピュレータ駆動ユニット、
８：マニピュレータ駆動台、    ９：マニピュレータ、    １０：顕微鏡、
１１：プローブ、    １２、１２’：テレビカメラ、
Ａ−Ａ’：顕微鏡光軸、    Ｂ−Ｂ’：加工試料表面上に引いた仮想直線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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