JP2001091857A - Micro-manipulation device for microfabrication - Google Patents
Micro-manipulation device for microfabricationInfo
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Abstract
Description
【0001】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microscopic sample such as processing or moving a microscopic specimen while observing an image of the specimen in an optical or electron microscope. More specifically, the present invention provides a micromanipulation apparatus for fine work, which performs work under microscope observation of a body sample while tracking the work with a television monitor camera.
【0002】[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。2. Description of the Related Art Conventionally, so-called fine work, in which a microscopic specimen is not merely observed with a microscope but is processed extremely finely under a microscope, has been generally performed. However, especially with the recent development of micromachines or bio-related technologies, the requirements and importance of capturing a specimen in the field of view of a microscope and performing some advanced processing using a manipulator are:
With the improvement of its accuracy, it is becoming more sophisticated than ever. This technology not only requires high resolution of the motion resolution due to the miniaturization of the target specimen, but also handles extremely small specimens in the field of view of the microscope to operate specific parts. It requires high precision and simplification of technology, and it is necessary to ensure operability and certainty of fine work while increasing the degree of freedom of movement on the specimen sample side.
【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。[0003] The movements required for minute work are the X-axis of the probe mounted on the manipulator and the specimen,
It is concentrated on linear movement in the Y-axis and Z-axis directions and rotational movement around the Z-axis. For linear movement in each axial direction, for example, if the movement is minute movement at a level of several tens of μm, a piezoelectric element having a displacement detection function for feedback added to a piezo element is generally used. Although it depends on the displacement detecting means, a resolution of 1 nm or less can be realized relatively easily at a high resolution.
【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。[0004] In addition, with regard to the rotational movement, a fixed point is determined, and a movement in consideration of the rotational degree of freedom around the fixed point is possible. A sample stage and a manipulator on which a specimen is mounted are provided. By rotating the drive stands individually, accurate rotation can be performed with high resolution. In this case, the center of rotation is fixed, and there is an advantage that the tip of the probe of the manipulator is always fixed in the fine processing operation. The present inventors have already proposed in Japanese Patent Application No. 10-62605 a work table for fine work in which the center of rotation can be set to an arbitrary position.
【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。In the case of this type of conventional micromanipulator, actual micromachining is performed using a manipulator equipped with a processing probe at the tip. By moving the manipulator, the processing of the specimen is performed at the tip of the probe tip. Usually, the movement of the specimen and the movement of the probe are designed to be independent. Further, since the confirmation of the processing point in the processing operation is performed in a microscope image having a relatively narrow field of view and a shallow depth of focus, it has many restrictions and is very difficult.
【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。In actual microfabrication work, especially in the biotechnology field, a manifest sample is a living body, and its form takes a complicated three-dimensional structure. Specific micromachining operations include cutting, drilling, cutting, peeling, pasting,
An operation that requires a repetitive operation for a specific portion, such as joining, can be mainly cited. In order to perform these operations, first, the microscope sample is captured under the field of view of the microscope, the specific processing area and the processing direction for the processing operation are determined, fixed to the optical axis of the observation microscope, and then freely rotated. It is necessary to perform a fine machining operation while displacing or tilting and simultaneously displacing the position of the probe of the manipulator. In particular, in a repetitive operation, it is extremely important to set a reference point (initial position) of the probe tip and a moving distance required for the operation. If this shifts a little, the accuracy of the work is lost, resulting in a rough work.
【0007】本発明者等は、すでに特願平11−251
55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。The present inventors have already disclosed in Japanese Patent Application No. 11-251.
No. 55, a micromanipulator equipped with a work table on which a specimen is mounted and a plurality of manipulators, wherein the work table and the plurality of manipulators allow a fine operation in an independent arbitrary direction. Above, we have proposed a micromanipulation device in which the main movements are basically combined. With this device, more complicated operations can be performed more reliably and accurately without removing the sample and the probe tip from the visual field of the microscope, and it is clear that the conventional device has been significantly improved. However, since the microscope image has an extremely narrow field of view and a shallow depth of focus, and is two-dimensional, the operation is basically still difficult.
【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。[0008] In general, microscopic errors and mechanical errors are present in images observed by a microscope. The magnification in the microscope observation image is a relative magnification in consideration of the optical error and the mechanical error, and a slight change or difference is seen from the set magnification (absolute magnification). The range of the subtle change is, for example, about 990 to 1010 times when the set magnification is 1000 times. When these fine changes and microscopic manipulation of microscopic specimens with micromanipulators in the presence of differences are performed while observing microscopic images, these differences become obstacles.
It also upsets the accuracy of the machining operation. In other words, when a minute repetitive operation or a minute driving operation such as the above-described cutting of a specific part is required, the required displacement amount (moving distance) from the reference point (initial position) of the probe tip in the visual field of the microscope observation image is required. After being confirmed in the image field of view, the value is converted into a numerical value by conversion from the set magnification and set. However, since the actual magnification is a relative magnification taking into account the above-described optical error and mechanical error, the displacement calculated from the set magnification has a slight difference from the actually required displacement. The tendency is particularly remarkable when the work is performed while changing the set magnification in the course of the work, or when the work is performed while moving the position of the visual field.
【0009】[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。SUMMARY OF THE INVENTION In view of the above-mentioned problems, the present inventors have made intensive studies to further improve the operability and reliability of fine work in a micromanipulation apparatus. By performing so-called visual feedback means that the amount of displacement is calculated while constantly observing the probe tip, and the amount of feedback is fed back, when performing fine work on the specimen in the observation image field of view. It has been found that the above-described optical error and mechanical error can be absorbed. That is, an object of the present invention is to provide a micromanipulator for fine work, which can smoothly and reliably observe, process, and confirm an extremely fine region.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上述の目的は、顕微鏡画
像を観察しながら顕体試料の微細加工作業を行なう装置
において、作業を行なうプローブ針先を常時観察しなが
ら、その変位量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、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にて達成され
る。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。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an apparatus for performing a fine processing operation on a microscope sample while observing a microscope image. By performing calculation and feeding back, optical errors and mechanical errors in the microscope setting magnification are absorbed, and the micromanipulation apparatus for fine work is characterized by performing fine work. Observation of the probe tip can be performed, for example, by an image of a monitoring television camera installed in the microscope sample chamber.
【0011】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The essential point of the present invention is to perform a fine work while constantly grasping a working probe needle tip and a specimen in a visual field of an image observed by a microscope while moving a manipulator. An object of the present invention is to prevent a subtle change and an error caused by an optical error and a mechanical error with respect to a set magnification of a microscope from adversely affecting accuracy of work. That is, the subtle difference between the displacement amount calculated from the set magnification and the actually required displacement amount is determined by using an image different from the microscope image, for example, an image of a monitoring television camera installed in the microscope sample chamber. The visual feedback means is used to constantly observe and correct the actual displacement by calculating and feeding back the actual displacement in real time.
【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
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。In the present invention, for example, a work table and a plurality of manipulators are placed on a base which can be moved in a plane in an arbitrary direction and rotated about a straight line on the sample. The movement is basically combined to prevent the processing point, that is, the sample surface and the probe tip from deviating from the field of view of the microscope, and the fine movement of the worktable and manipulator required for fine work can be performed independently at each position. In the micromanipulation device that performs fine work by further setting the number of manipulators to be plural, the work can be performed more reliably by monitoring the sample and the tip of the microprobe simultaneously with a TV camera. It was done. Television cameras for monitoring are installed in two directions, horizontal and vertical, and images of the sample surface and the probe tip from directions 90 degrees apart are captured in a much wider field of view than microscopic images, enabling fine work. Can be assured.
【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。In the image processing, the initial position (reference point) of the tip of the probe is stored in advance in the initial monitor image projected by the television camera, and then the maximum movement position (retreat position) is stored. The operator manually sets the position of the sample and the processing direction from the initial monitor image. The actual fine processing of the details is performed by the operator while observing the microscope image, but the position movement of the probe tip after one operation is completed,
Rather than performing manual operations by the operator while viewing the microscope image, the operator can automatically move to an initial position or a retracted position set in advance in image processing by computer control, and can manually move the specimen sample It is possible to avoid undesired phenomena such as unnecessary contact and accompanying damage of the sample and probe.
【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。Further, in actual work, two points, for example, a start point and an end point, are defined and stored in the visual field of the image observed by the microscope, and the working probe tip is repeatedly moved between these two points by a program. Is performed. In other words, thereby, work by repetition of cutting, drilling, and the like is performed. Furthermore, for the so-called additional machining in which the machining depth of the probe tip is gradually increased, the displacement amount of the working probe tip is used as a variable. Processing as a variable is also performed. Since these operations require particularly high accuracy, in image processing, if these positions are captured on a TV monitor image, stored, and the position is corrected while constantly observing in the actual operation, the operation can be performed. Accuracy is greatly improved. In other words, this is very different from the conventional method of performing these operations on a program. The image position to be stored can be set not only at the start point and the end point, but also at any number. In addition, the movement between the designated points can be performed not only by linear movement but also by an arbitrary route.
In addition, the round-trip route can be changed.
【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。Although the magnification of the microscope image varies depending on the content of the work, the system for fine work according to the present invention generally assumes that the fine work is performed under a microscope field of view of several tens to several thousand times. It is assumed. On the other hand, since the monitor image by the television camera is intended to detect the position of the probe tip and the specimen, a magnification of about 10 times or more is sufficient. The size is much different from the field of view of a microscope. By storing the initial position, the retreat position, or the work position in advance, the probe tip can be moved to a desired position without considering the actual monitor image magnification.
【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。A specific example of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of an embodiment of the micromanipulator for fine work of the present invention,
FIG. 2 is an enlarged explanatory view of the manipulator portion. FIG. 3 is an explanatory diagram showing the control system. The manipulator 9 is mounted on a disk-shaped manipulator base 5 and is mounted on the movable base 1 together with the work table 2 on which the specimen 3 is mounted. Manipulator 9
Is mounted on the manipulator drive base 8, and is driven by the manipulator drive base in the X axis, the Y axis, or the Z axis.
It is possible to operate precisely in any direction of the axis. At the tip of the manipulator 9, a needle probe 11 for fine processing is attached. The movable base 1 can arbitrarily move in the X-axis and Y-axis directions, and at the same time, can be tilted and rotated about a virtual straight line BB ′ drawn on the surface of the processed sample. As the movable base 1 is driven, the working sample 3 and the manipulator 9 move simultaneously,
The processing point, ie, the sample surface and the probe tip are prevented from being largely displaced.
【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。Television cameras 12 and 12 'are installed in two directions, horizontal and vertical to the microscope optical axis AA'. As schematically shown in FIG. 3, the image projected by the television camera is displayed on the monitor television and simultaneously sent to the image processing board and subjected to the above-described image processing. The operation table and each manipulator are operated by merging with the operator's instruction signal sent through the panel. If, for example, a point is specified in advance on the image processing board, the same operation can be repeatedly performed the required number of times.
【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。Examples of the microscope used in the present invention include an electron microscope in addition to various high-performance optical microscopes. It is necessary to observe and work all the devices in a high vacuum state. Therefore, it is necessary to make the entire device a high vacuum type. Further, in this case, it is preferable that the members including the specimen working table and the manipulator are made of a nonmagnetic material such as aluminum, phosphor bronze, tungsten, ceramics, and glass.
【0019】[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。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A detailed description will be given of a specific embodiment of a procedure of a fine work from setting of a sample to operation of a probe by a micromanipulator for fine work of the present invention with reference to a schematic explanatory view. There is no particular limitation. FIG. 4 is a process diagram showing the operation procedure.
【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。In an actual fine work experiment, two work points are taught by a mouse using a personal computer in visual information displayed on a monitor television image for an observation image of 200 times of a microscope. That is, after storing the shape of the manipulator needle point, the user points the needle point with the mouse, and then points the start point and the end point of the work. The needle tip is automatically moved to the starting point, and the movement amount for one pixel in each of the vertical and horizontal directions is calculated. Necessary movement information of the manipulator is calculated from the inclination of the straight line connecting the set start point and end point of the work and the movement amount for one pixel described above. The manipulator is moved from the start point to the end point based on this information. By repeating this work, a fine work is performed.
【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。The movement from the set start point to the end point is performed using, for example, a piezo element. However, as this movement is repeated many times, the optical error of the magnification in the microscope observation image and the mechanical error Due to the influence of errors or hysteresis, the point taught on the screen with the mouse and the moving point of the manipulator slightly differ, making it difficult to perform the repetitive work as intended.
【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。Therefore, based on the information from the monitor image, the position of the tip of the manipulator is fed back for each point, a process for correcting the position on the teaching straight line is added, and the two working points are re-taught each time. An experiment was conducted. By adding this processing, the repetitive work between the work points as taught can be performed without any deviation. In other words, it became possible to perform elaborate work without deviation.
【0023】[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。As described above, according to the micro working apparatus according to the present invention, a microscope sample is captured in the field of view of an optical or electron microscope, and the image is observed under the microscope field while observing the image. In the so-called fine work of processing a body sample using a manipulator, it has become possible to establish the certainty and speed of the operation. Above all, after capturing the specimen in the visual field of the microscope, for example, the reference point (working point) in the repetitive work is captured on a different monitor TV image than the microscope used, and the computer Since control and correction are performed, the workability is extremely accurate, and the state of the work itself can be monitored. In other words, the accuracy of the repetitive work on the body sample, which was relatively inadequate in the past, was achieved for the first time by the present invention. The effect is extremely remarkable in the field of dynamic tracking of a chemical reaction under a microscope or tribology.
【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。FIG. 1 is an explanatory view showing the structure of an embodiment of a micromanipulator for fine work according to the present invention.
【図2】マニピュレータ部分の要部拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a main part of a manipulator part.
【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。FIG. 3 is an explanatory diagram showing a control system of the micromanipulation device for fine work of the present invention.
【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。FIG. 4 is a process diagram showing an embodiment of an operation procedure from setting of a sample to operation of a probe by the micromanipulator for fine work of the present invention.
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1: movable base, 2: specimen sample work table, 3: specimen sample, 4: manipulator base support, 5: manipulator base, 6: manipulator coarse movement stage, 7: manipulator drive unit, 8: manipulator drive table, 9: Manipulator, 10:
Microscope, 11: Probe, 12, 12 ': Television camera, AA': Optical axis of microscope, BB ': Virtual straight line drawn on the surface of the processed sample
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤木 克也 茨城県常陸太田市馬場町457 株式会社三 友製作所内 (72)発明者 川上 辰男 茨城県常陸太田市馬場町457 株式会社三 友製作所内 (72)発明者 江田 弘 茨城県西茨城郡友部町大田町1477−1 (72)発明者 山本 佳男 神奈川県横浜市緑区いぶき野27−14−304 (72)発明者 石川 友彦 茨城県東茨城郡茨城町長岡3781−1 茨城 県工業技術センター内 Fターム(参考) 2H052 AF19 3F059 DA08 DB01 FB17 3F060 BA10 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Katsuya Katogi, Inventor 457, Babacho, Hitachiota, Ibaraki Prefecture, Japan Mitsui Manufacturing Co., Ltd. (72) Inventor Tatsuo Kawakami 457, Babamachi, Hitachiota, Ibaraki Prefecture, Japan Mitomo Corporation ( 72) Inventor Hiroshi Eda 1477-1 Ota-cho, Tomobe-cho, Nishi-Ibaraki-gun, Ibaraki (72) Yoshio Yamamoto 27-14-304, Ibukino, Midori-ku, Yokohama-shi, Kanagawa-ken (72) Inventor Tomohiko Ishikawa, Ibaraki-cho, Higashi-Ibaraki-gun, Ibaraki 3781-1 Nagaoka F-term in Ibaraki Prefectural Industrial Technology Center (reference) 2H052 AF19 3F059 DA08 DB01 FB17 3F060 BA10
Claims (3)
加工作業を行なう装置において、作業を行なうプローブ
針先を常時観察しながら、その変位量を即時に計算しフ
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、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。An apparatus for performing fine processing of a specimen under observation while observing a microscope image by immediately calculating and feeding back the displacement amount while constantly observing a probe tip to be operated, thereby setting a microscope. A micromanipulation device for fine work, which absorbs optical and mechanical errors in magnification and performs fine work.
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。2. The micromanipulator for fine work according to claim 1, wherein the observation of the probe tip is performed by an image of a monitoring television camera installed in the microscope sample chamber.
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、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。3. The movement of the work table and the manipulator is basically performed by placing the work table and a plurality of manipulators on a base capable of plane movement in an arbitrary direction and rotation about a straight line on the specimen. To enable the fine movement of the worktable and manipulator to be performed independently at each position, and to monitor and observe the specimen and the tip of the microprobe simultaneously with a TV camera so that the work can be performed more reliably. 2. The micromanipulation device for fine work according to claim 1, wherein:
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