JP2004230528A - 微小物の姿勢制御装置及び姿勢制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】非球状の微小物の位置及び姿勢を、非接触で制御可能な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】３個の微粒子が表面に取り付けられた微小物の姿勢及び位置を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、２台のカメラと、３本のビームを出力するビーム出力部と、入射するビームの光路を変化させる焦点移動部と、ビームを集束する集束部と、制御部と、操作部とを備え、前記微粒子が、球形であり、周囲の媒体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、前記カメラによって得られる複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、前記焦点移動部を制御して、前記ビームが前記集束部によって前記３次元位置座標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、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ビームの集束位置を変化させる。
【選択図】 図１
【解決手段】３個の微粒子が表面に取り付けられた微小物の姿勢及び位置を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、２台のカメラと、３本のビームを出力するビーム出力部と、入射するビームの光路を変化させる焦点移動部と、ビームを集束する集束部と、制御部と、操作部とを備え、前記微粒子が、球形であり、周囲の媒体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、前記カメラによって得られる複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、前記焦点移動部を制御して、前記ビームが前記集束部によって前記３次元位置座標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、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ビームの集束位置を変化させる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小物質又は微小構造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、創薬等の諸分野において有用な極微量の試薬、細胞、ＤＮＡ等の非球状物の精密自動操作、マイクロマシンにおけるマイクロ構造物の自動組立などに必要とされる微小な対象物の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、医療、化学分析、環境計測などの各分野において、混合・反応系、検出系、電子回路、ポンプなどをマイクロ化して、化学分析システム全体をＩＣ化する技術、すなわちμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）関する要素技術開発の必要性が高まっている。このマイクロ化技術のうち、検査試薬などの微小物質を特定の位置へ注入する技術に関しては、微小ノズルやピンを利用して滴下する技術が実現されている。また、ミクロンサイズのマイクロ構造物の組立に関しては、接触型のマイクロハンドによって行うことが検討されている。
【０００３】
他方、光ピンセット法で、レーザ光を利用してミクロンサイズの微粒子や液滴を、非接触で操作できることが知られており、化学分野における微小領域での反応の制御や分析、生物工学における微生物や遺伝子操作などに対しての応用が行われている（下記特許文献１〜３参照）。
【０００４】
また、下記特許文献４には、光ピンセット法によって捕捉することができない、周囲の媒質よりも低屈折率の微粒子や、レーザ光を反射する金属微粒子などを保持し、配列させる方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６４−３４４３９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−３２９６０２号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平１１−５６３４１号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開２００１−２３２１８２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、微小ノズルやピンを利用して滴下する方法では、針状ウイスカ等の球状以外の物質をノズルから排出することや精密に配向配置することは困難であった。
【００１０】
また、接触型のマイクロハンドでは、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、かつマイクロハンドの操作には非常に熟練を必要とした。このため、非対称なマイクロ構造物の組立に必要な姿勢制御や自動操作には至っていない。
【００１１】
また、光ピンセット法では、安定に捕捉可能な対象は、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の発生するウイスカ等の非球状物質やマイクロ構造物を、その姿勢を考慮して操作することは困難であった。さらに、細胞や生体高分子などの操作に際しては、操作に用いるレーザ光の波長によっては、熱的損傷を与えるなどの問題があり、幅広い波長のレーザ光の利用が不可能であった。
【００１２】
また、上記特許文献４に開示されているビームの放射圧を使用する方法では、微小粒子を保持し、配列させることは可能であるが、非対称な構造物の精密な姿勢制御を行うことは出来ない。
【００１３】
以上のように、針状ウイスカ、複雑な形状のマイクロ構造物、糸状のＤＮＡなど、球状以外のミクロンサイズの対象物を、精密かつ安定に３次元空間において位置、姿勢、形状を自動的に操作できる技術の開発が、上記分野における重要な課題となっていた。
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、液体中又は気体中において、非接触で、熱的損傷や物理的損傷を与えることなく、非球状の形状を有する微小物質又は微小構造物の３次元空間中の位置、姿勢を安定、正確、且つ自動的に操作することができ、柔軟な微小物又は構造物の３次元的な形状や構造を自動的に変化させることができる微小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。
【００１５】
【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。
【００１６】
即ち、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（１）は、少なくとも３個の微粒子が表面に取り付けられた微小物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、複数台のカメラと、少なくとも３本の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、前記微粒子が、球形であり、前記ビームに対して周囲の媒体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粒子の複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、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対応する前記３次元位置座標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、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、前記ビームの集束位置を変化させることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（２）は、上記微小物の姿勢制御装置（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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算し、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対応する前記目標位置の３次元座標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。
【００１８】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（３）は、上記微小物の姿勢制御装置（２）において、前記微小物が剛性物である場合、前記制御部が、複数枚の前記画像から計算した各々の前記微粒子の３次元位置座標の相対距離を保持するように、前記目標位置の３次元座標を計算することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（４）は、上記微小物の姿勢制御装置（１）〜（３）の何れかにおいて、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（５）は、少なくとも２個の微粒子が表面に取り付けられ、柔軟性を有する微小物の形状を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、複数台のカメラと、少なくとも２本の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、前記微粒子が、球形であり、前記ビームに対して周囲の媒体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粒子の複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、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対応する前記３次元位置座標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、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、前記ビームの集束位置の間隔を変化させることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（６）は、上記微小物の姿勢制御装置（５）において、前記制御部が、前記操作部から、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる変化情報の入力を受け、前記変化情報と、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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算し、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対応する前記目標位置の３次元座標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。
【００２２】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（７）は、上記微小物の姿勢制御装置（５）又は（６）において、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（１）は、少なくとも３本のビームを生成する第１ステップと、球形であり、微小物の表面に取り付けられ、周囲の媒体よりも高屈折率で前記ビームを透過させる、少なくとも３個の微粒子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、前記微粒子の３次元位置座標を計算する第３ステップと、各々の前記ビームが対応する前記３次元位置座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束させる第４ステップと、前記ビームの集束位置を変化させる第５ステップとを含むことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（２）は、上記微小物の姿勢制御方法（１）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前記微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算する第７ステップと、各々の前記ビームが対応する前記目標位置の３次元座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束する第８ステップとを含むことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（３）は、上記微小物の姿勢制御方法（２）において、前記微小物が剛性物である場合、前記第７ステップにおいて、複数枚の前記画像から計算した各々の前記微粒子の３次元位置座標の相対距離を保持するように、前記目標位置の３次元座標を計算することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（４）は、上記微小物の姿勢制御方法（１）〜（３）の何れかにおいて、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記第３ステップにおいて、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（５）は、少なくとも２本のビームを生成する第１ステップと、球形であり、柔軟性を有する微小物の表面に取り付けられ、周囲の媒体よりも高屈折率で前記ビームを透過させる、少なくとも２個の微粒子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、前記微粒子の３次元位置座標を計算する第３ステップと、各々の前記ビームが対応する前記３次元位置座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束させる第４のステップと、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる第５ステップとを含むことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（６）は、上記微小物の姿勢制御方法（５）において、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる変化情報を受け付ける第５ステップと、前記変化状報情報と、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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算する第６ステップと、各々の前記ビームが対応する前記目標位置の３次元座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束する第７ステップとを含むことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（７）は、上記微小物の姿勢制御方法（５）又は（６）において、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記第３ステップにおいて、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００３０】
【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、３個の微粒子を表面に取り付けたマイクロ構造物（以下、微小物と記す）の３次元的姿勢を自動的に制御する微小物の姿勢制御装置及び制御方法について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る微小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〜第３焦点移動機構１２〜１２”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〜第３焦点移動機構１２〜１２”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物３に導いて、後述するように微小物３を捕捉する。図１では、光源７から微小物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。
【００３２】
図２は、レーザ光による微小物３の捕捉を模式的に示す斜視図である。図２では、微小物３の３個の頂点に、レーザ光に対して透明の球状の微粒子（以下、球状粒子と記す）２〜２”が取り付けられている。球状粒子２〜２”の材質は、所定の波長のレーザ光を透過し、微小物３が浮遊する周囲の媒質よりも高屈折率であり、例えば、ポリスチレンやホウ珪酸塩ガラスなどを使用することができる。微小物３に球状粒子２〜２”を取り付ける方法は、微小物３及び球状粒子２〜２”の材質に応じた紫外線硬化性の接着剤を使用するなど、既知の種々の方法を使用することが可能であるので、ここでは説明を省略する。光源７から、３本のレーザ光が生成され、各々のレーザ光は対応する第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”を介して、微小物３に取り付けられた対応する球状粒子２〜２”に照射される。このとき、３本のレーザ光は、各々対応する球状粒子２〜２”に集束するように、第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”によって光路が制御される。この高密度に集束されたレーザ光１〜１”によって光ピンセットの原理により、その焦点位置で球状粒子２〜２”が捕捉される。従って、図２に示したように微小物３を安定に保持することができる。このとき、レーザ光を集束すべき３個の球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”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、立体視の原理などに基づいて計算される。
【００３３】
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。図１に示した光源７として、図３においては２つの光源７’、７”を使用している。
【００３４】
光源７’からのレーザ光は、ビームエクスパンダ８によって径、即ちレーザ光の空間的広がりを変化され、半波長板９を通り、第１偏光ビームスプリッタ１０、１０’によって２方向のレーザ光に分解される。これら２本のレーザ光は、それぞれ電磁シャッタ１１、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及び第２焦点位置移動機構１２’を経由し、第２偏光ビームスプリッタ１３、１３’によって各々の光路軸を揃えられ、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。
【００３５】
上記した分解後の２本のレーザ光は、顕微鏡６の対物レンズ１５によりその焦点位置で、微小物３に取り付けられた球状粒子２〜２”の直径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、球状粒子２〜２”は第１及び第２カメラ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、各々の球状粒子２〜２”の位置が計算され、集束されたレーザ光の顕微鏡６内での焦点位置ＸＹＺが、対応する球状粒子２、２’の中心位置となるように第１及び第２焦点位置移動機構１２、１２’が制御される。この際、生成された２本のレーザ光は、光路中に配置された半波長板９、第１偏光ビームスプリッタ１０、１０’、及び第２偏光ビームスプリッタ１３、１３’によって、偏光方向が直交しており、干渉を起こすことはない。したがって、２本のビームの相対位置により強度分布が変化することはなく、各々のレーザ光によって安定して目的とする球状粒子２、２’を捕捉することができる。
【００３６】
３個目の球状粒子２”を捕捉するためのビームは、上記したレーザ光との干渉を避けるために、上記の２本のビームと波長の異なるレーザ光を発生する光源７”を使用する。光源７”からのレーザ光も上記した２本のビームと同様に、ビームエクスパンダ８’によって径を変化され、電磁シャッタ１１”を介した後に、焦点位置移動機構１２”を経由して、ビームスプリッタ１３”によって上記２本のビームと光路軸を揃えられ、リレーレンズ１４を経由して顕微鏡６内に導入され、３個目の微粒子２”を捕捉する。
【００３７】
次に、上記したように３本のレーザ光によって安定に保持された、剛性を有する、即ち形状が容易に変化しない微小物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。
【００３８】
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。
【００３９】
ステップＳ２において、ＣＰＵ２０は、取り込んだ２枚の画像データを、ビデオ部２５を介して表示部２７に表示し、操作部２３によって、表示された２枚の画像の対応する点が指定されるのを待ち受ける。ここで、操作部２３が操作されて、各々の画像上で、３個の球状粒子２〜２”に対応する３個の点（合計６個の点）が指定されると、ＣＰＵ２０は、第１及び第２カメラ部４、４’の３次元座標、及び指定された点の各々の画像上での座標を基に、３個の球状粒子２〜２”の３次元座標を計算する。
【００４０】
ステップＳ３において、ＣＰＵ２０は、３本のレーザ光が、ステップＳ２で３次元座標を計算された３個の球状粒子２〜２”の各々に集束するように、制御インタフェース部２４を介して、第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”を制御し、レーザ光の照射を開始する。これによって、光ピンセットの原理で３個の球状粒子２〜２”が捕捉、すなわち、微小物３が安定に保持される。
【００４１】
微小物３が保持された後、ステップＳ４において、ＣＰＵ２０は、微小物３の姿勢及び位置を変更する指示を待ち受ける。剛性物である微小物３の姿勢及び位置の変化は、微粒子の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、３個の球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”の現在の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。ここでｉ＝１〜３であり、３個の球状粒子２〜２”に対応する。
【００４２】
ステップＳ４で球状粒子２〜２”の目標位置座標が計算された後、ステップＳ５において、球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”を捕捉しているレーザ光の焦点位置の移動が速過ぎると、球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”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の値は捕捉用レーザ光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。
【００４３】
ステップＳ６において、ＣＰＵ２０は、第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”を制御して、各レーザ光の集束位置を微小量だけ変化させて、各レーザ光を（Ｘｓｉ＋ΔＸｉ、Ｙｓｉ＋ΔＹｉ、Ｚｓｉ＋ΔＺｉ）に集束させる。これによって、光ピンセットの原理によって、レーザ光の焦点位置の微小移動に応じて、球状粒子２〜２”も微小移動する。例えば、最終的に図５に示したように微小物３の位置と姿勢を変化させるために、即ち３本のレーザ光によって捕捉された球状粒子２〜２”を移動させるために、球状粒子２〜２”の最初の微小移動が行われる。
【００４４】
ステップＳ７において、ＣＰＵ２０は、ステップＳ１と同様に第１及び第２カメラ４、４’から画像を取り込み、ステップＳ２で指定された点、即ち３個の球状粒子２〜２”の現在位置座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（ｉ＝１〜３）を計算する。
【００４５】
ステップＳ８において、ＣＰＵ２０は、各々の球状粒子２〜２”に関して、現在位置座標と（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）とステップＳ４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Ｓ１０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Ｓ９に移行する。
【００４６】
ステップＳ９において、ＣＰＵ２０は、（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を移動開始点として、ステップＳ５と同様に、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算した後、ステップＳ６に移行する。
【００４７】
ステップＳ８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、目標位置に全ての球状粒子２〜２”が到達したと判断されるまで、ステップＳ６〜Ｓ９の処理を繰り返す。これによって、図５に示したように、微小物３の姿勢及び位置を変更することができる。
【００４８】
ステップＳ１０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、レーザ光の焦点位置の移動を停止して、その位置と姿勢で微粒子を保持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、微小物３を移動する指示を受け付けるためにステップＳ４に戻り、ステップＳ４〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００４９】
以上において、ステップＳ４での微小物３の姿勢及び位置を変更する指示が、微粒子の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、球状粒子２〜２”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、３個の球状粒子２〜２”相互の距離を保持する条件で、各々の球状粒子２〜２”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。
【００５０】
また、微小物３の形状が柔軟に変化し得るものであれば、ステップＳ４における微小物３の姿勢及び位置を変更する指示は、各々の球状粒子２〜２”の目標位置を直接指定することによって行えばよい。この場合、球状粒子２〜２”の３次元座標（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ）と、指定された目標位置座標（Ｘｅｉ，Ｙｅｉ，Ｚｅｉ）とを使用して、球状粒子２〜２”を目標位置にゆるやかに移動するために必要となる微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を、例えば、移動開始点の座標（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ）と、目標位置座標（Ｘｅｉ，Ｙｅｉ，Ｚｅｉ）との差を所定数Ｎで除して計算すればよい。従って、３個の球状粒子２〜２”全てをレーザ光によって捕捉せずに、２個の球状粒子、例えば球状粒子２、２’のみを捕捉して、その間隔を変化させることによって、微小物３の形状を変化させることもできる。
【００５１】
また、３個の球状粒子２〜２”及び３本のレーザ光を使用する場合を説明したが、４個以上の球状粒子又は４本以上のレーザ光を使用してもよい。特に、操作の途中において微小物３の回転などによって、一部の球状粒子をカメラで観測できなくなる場合や、レーザ光で捕捉できなくなる場合にも制御を可能とするには、少なくとも３個の球状粒子がカメラによって常に観測され、且つレーザ光で常に捕捉され得るように、４個以上の球状粒子を微小物３の表面の適切な位置に取り付けて、姿勢制御することが望ましい。
【００５２】
また、球状粒子２〜２”の材質は、上記したポリスチレンやホウ珪酸塩ガラスに限定されず、所定の波長のレーザ光を透過し、所定の波長のレーザ光に対して周囲の媒質よりも高屈折率である材質であれば良い。
【００５３】
また、上記では、最初に、人によって操作部２３が操作されて球状粒子２〜２”の位置が指定される場合を説明したが、第１及び第２カメラ４、４’の画像上で識別可能な３個の球状粒子２〜２”を取り付けることによって、画像認識技術によって自動的に各々の球状粒子２〜２”を識別し、３次元座標を計算するようにしてもよい。識別手段としては、色素による着色、量子ドットやマイクロ加工によるコード化、さらには、粒子径の違いなどを使用すればよい。
【００５４】
また、球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”に照射された場合に、球状粒子２〜２”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。
【００５５】
また、球状粒子２〜２”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、球状粒子２に照射された場合に、球状粒子２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。
【００５６】
また、捕捉用のビームには、捕捉された球状粒子２〜２”を微小移動させる時間間隔よりも十分に短い周期で１本のビームを時分割して複数本のビームを生成し、これを使用してもよい。
【００５７】
また、微小物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、球状粒子２〜２”の移動経路を指定した一連の時系列座標データや、微小物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物３の姿勢制御を自動的に行うようにしてもよい。
【００５８】
さらに、本発明は上記した実施の形態の構成に限定されるものではなく、球状粒子を捕捉するためのビームの選択、光学系など、適宜設計変更し得るものである。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、微小な３次元空間内に配置された非球状の微小物に対しても、その姿勢及び位置を、非接触で、精密且つ安定に自動操作することができ、この操作の際において微小物に熱的損傷や不安定な回転及び振動を発生させることがない。
【００６０】
従って、本発明を用いれば、３次元の微小空間において位置と姿勢を指定した精密な運搬作業が可能となり、マイクロマシニング技術で製作される複雑な３次元構造を有するマイクロ構造物の自動組立が可能となる。
【００６１】
また、針状のウイスカや糸状のＤＮＡなど、多様な形状と性質を有する試薬や生体高分子のような非球状の物質を、複雑な経路に沿って姿勢を制御しつつ自動的に運搬できるので、新規な機能や感度の高いμ−ＴＡＳの構築が可能となる。
【００６２】
また操作はすべて非接触で行えるため、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やマイクロマシンの自動生産が可能となる。
【００６３】
さらに、標識としての微粒子をマイクロハンドに取り付けることにより、ビームを駆動源とする遠隔操作によるマイクロハンドの６自由度駆動操作が可能となり、これによってより精密なマイクロ間接マニピュレーションを行うことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る微小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微小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】本発明の実施の形態に係る微小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。
【図５】対象物が姿勢制御される状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 集束されたレーザ光
２、２’、２” 球状粒子
３ 微小物
４、４’ 第１、第２カメラ部
５ 制御部
６ 顕微鏡
７、７’、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’、１１” 電磁シャッタ
１２、１２’、１２” 第１〜第３焦点位置移動機構
１３、１３’、１３” 第２偏光ビームスプリッタ
１４ リレーレンズ
１５ 集束レンズ
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
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小物質又は微小構造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、創薬等の諸分野において有用な極微量の試薬、細胞、ＤＮＡ等の非球状物の精密自動操作、マイクロマシンにおけるマイクロ構造物の自動組立などに必要とされる微小な対象物の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、医療、化学分析、環境計測などの各分野において、混合・反応系、検出系、電子回路、ポンプなどをマイクロ化して、化学分析システム全体をＩＣ化する技術、すなわちμ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）関する要素技術開発の必要性が高まっている。このマイクロ化技術のうち、検査試薬などの微小物質を特定の位置へ注入する技術に関しては、微小ノズルやピンを利用して滴下する技術が実現されている。また、ミクロンサイズのマイクロ構造物の組立に関しては、接触型のマイクロハンドによって行うことが検討されている。
【０００３】
他方、光ピンセット法で、レーザ光を利用してミクロンサイズの微粒子や液滴を、非接触で操作できることが知られており、化学分野における微小領域での反応の制御や分析、生物工学における微生物や遺伝子操作などに対しての応用が行われている（下記特許文献１〜３参照）。
【０００４】
また、下記特許文献４には、光ピンセット法によって捕捉することができない、周囲の媒質よりも低屈折率の微粒子や、レーザ光を反射する金属微粒子などを保持し、配列させる方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６４−３４４３９号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平９−３２９６０２号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開平１１−５６３４１号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開２００１−２３２１８２号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、微小ノズルやピンを利用して滴下する方法では、針状ウイスカ等の球状以外の物質をノズルから排出することや精密に配向配置することは困難であった。
【００１０】
また、接触型のマイクロハンドでは、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、かつマイクロハンドの操作には非常に熟練を必要とした。このため、非対称なマイクロ構造物の組立に必要な姿勢制御や自動操作には至っていない。
【００１１】
また、光ピンセット法では、安定に捕捉可能な対象は、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の発生するウイスカ等の非球状物質やマイクロ構造物を、その姿勢を考慮して操作することは困難であった。さらに、細胞や生体高分子などの操作に際しては、操作に用いるレーザ光の波長によっては、熱的損傷を与えるなどの問題があり、幅広い波長のレーザ光の利用が不可能であった。
【００１２】
また、上記特許文献４に開示されているビームの放射圧を使用する方法では、微小粒子を保持し、配列させることは可能であるが、非対称な構造物の精密な姿勢制御を行うことは出来ない。
【００１３】
以上のように、針状ウイスカ、複雑な形状のマイクロ構造物、糸状のＤＮＡなど、球状以外のミクロンサイズの対象物を、精密かつ安定に３次元空間において位置、姿勢、形状を自動的に操作できる技術の開発が、上記分野における重要な課題となっていた。
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明は、液体中又は気体中において、非接触で、熱的損傷や物理的損傷を与えることなく、非球状の形状を有する微小物質又は微小構造物の３次元空間中の位置、姿勢を安定、正確、且つ自動的に操作することができ、柔軟な微小物又は構造物の３次元的な形状や構造を自動的に変化させることができる微小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。
【００１５】
【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。
【００１６】
即ち、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（１）は、少なくとも３個の微粒子が表面に取り付けられた微小物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、複数台のカメラと、少なくとも３本の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、前記微粒子が、球形であり、前記ビームに対して周囲の媒体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粒子の複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、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対応する前記３次元位置座標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、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、前記ビームの集束位置を変化させることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（２）は、上記微小物の姿勢制御装置（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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算し、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対応する前記目標位置の３次元座標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。
【００１８】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（３）は、上記微小物の姿勢制御装置（２）において、前記微小物が剛性物である場合、前記制御部が、複数枚の前記画像から計算した各々の前記微粒子の３次元位置座標の相対距離を保持するように、前記目標位置の３次元座標を計算することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（４）は、上記微小物の姿勢制御装置（１）〜（３）の何れかにおいて、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００２０】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（５）は、少なくとも２個の微粒子が表面に取り付けられ、柔軟性を有する微小物の形状を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、複数台のカメラと、少なくとも２本の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、前記微粒子が、球形であり、前記ビームに対して周囲の媒体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粒子の複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、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対応する前記３次元位置座標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、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、前記ビームの集束位置の間隔を変化させることを特徴とする。
【００２１】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（６）は、上記微小物の姿勢制御装置（５）において、前記制御部が、前記操作部から、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる変化情報の入力を受け、前記変化情報と、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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算し、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対応する前記目標位置の３次元座標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。
【００２２】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御装置（７）は、上記微小物の姿勢制御装置（５）又は（６）において、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（１）は、少なくとも３本のビームを生成する第１ステップと、球形であり、微小物の表面に取り付けられ、周囲の媒体よりも高屈折率で前記ビームを透過させる、少なくとも３個の微粒子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、前記微粒子の３次元位置座標を計算する第３ステップと、各々の前記ビームが対応する前記３次元位置座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束させる第４ステップと、前記ビームの集束位置を変化させる第５ステップとを含むことを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（２）は、上記微小物の姿勢制御方法（１）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前記微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算する第７ステップと、各々の前記ビームが対応する前記目標位置の３次元座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束する第８ステップとを含むことを特徴とする。
【００２５】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（３）は、上記微小物の姿勢制御方法（２）において、前記微小物が剛性物である場合、前記第７ステップにおいて、複数枚の前記画像から計算した各々の前記微粒子の３次元位置座標の相対距離を保持するように、前記目標位置の３次元座標を計算することを特徴とする。
【００２６】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（４）は、上記微小物の姿勢制御方法（１）〜（３）の何れかにおいて、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記第３ステップにおいて、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００２７】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（５）は、少なくとも２本のビームを生成する第１ステップと、球形であり、柔軟性を有する微小物の表面に取り付けられ、周囲の媒体よりも高屈折率で前記ビームを透過させる、少なくとも２個の微粒子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、前記微粒子の３次元位置座標を計算する第３ステップと、各々の前記ビームが対応する前記３次元位置座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束させる第４のステップと、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる第５ステップとを含むことを特徴とする。
【００２８】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（６）は、上記微小物の姿勢制御方法（５）において、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる変化情報を受け付ける第５ステップと、前記変化状報情報と、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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算する第６ステップと、各々の前記ビームが対応する前記目標位置の３次元座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束する第７ステップとを含むことを特徴とする。
【００２９】
また、本発明に係る微小物の姿勢制御方法（７）は、上記微小物の姿勢制御方法（５）又は（６）において、各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、前記第３ステップにおいて、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする。
【００３０】
【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、３個の微粒子を表面に取り付けたマイクロ構造物（以下、微小物と記す）の３次元的姿勢を自動的に制御する微小物の姿勢制御装置及び制御方法について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の実施の形態に係る微小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〜第３焦点移動機構１２〜１２”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〜第３焦点移動機構１２〜１２”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物３に導いて、後述するように微小物３を捕捉する。図１では、光源７から微小物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。
【００３２】
図２は、レーザ光による微小物３の捕捉を模式的に示す斜視図である。図２では、微小物３の３個の頂点に、レーザ光に対して透明の球状の微粒子（以下、球状粒子と記す）２〜２”が取り付けられている。球状粒子２〜２”の材質は、所定の波長のレーザ光を透過し、微小物３が浮遊する周囲の媒質よりも高屈折率であり、例えば、ポリスチレンやホウ珪酸塩ガラスなどを使用することができる。微小物３に球状粒子２〜２”を取り付ける方法は、微小物３及び球状粒子２〜２”の材質に応じた紫外線硬化性の接着剤を使用するなど、既知の種々の方法を使用することが可能であるので、ここでは説明を省略する。光源７から、３本のレーザ光が生成され、各々のレーザ光は対応する第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”を介して、微小物３に取り付けられた対応する球状粒子２〜２”に照射される。このとき、３本のレーザ光は、各々対応する球状粒子２〜２”に集束するように、第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”によって光路が制御される。この高密度に集束されたレーザ光１〜１”によって光ピンセットの原理により、その焦点位置で球状粒子２〜２”が捕捉される。従って、図２に示したように微小物３を安定に保持することができる。このとき、レーザ光を集束すべき３個の球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”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、立体視の原理などに基づいて計算される。
【００３３】
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。図１に示した光源７として、図３においては２つの光源７’、７”を使用している。
【００３４】
光源７’からのレーザ光は、ビームエクスパンダ８によって径、即ちレーザ光の空間的広がりを変化され、半波長板９を通り、第１偏光ビームスプリッタ１０、１０’によって２方向のレーザ光に分解される。これら２本のレーザ光は、それぞれ電磁シャッタ１１、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及び第２焦点位置移動機構１２’を経由し、第２偏光ビームスプリッタ１３、１３’によって各々の光路軸を揃えられ、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。
【００３５】
上記した分解後の２本のレーザ光は、顕微鏡６の対物レンズ１５によりその焦点位置で、微小物３に取り付けられた球状粒子２〜２”の直径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、球状粒子２〜２”は第１及び第２カメラ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、各々の球状粒子２〜２”の位置が計算され、集束されたレーザ光の顕微鏡６内での焦点位置ＸＹＺが、対応する球状粒子２、２’の中心位置となるように第１及び第２焦点位置移動機構１２、１２’が制御される。この際、生成された２本のレーザ光は、光路中に配置された半波長板９、第１偏光ビームスプリッタ１０、１０’、及び第２偏光ビームスプリッタ１３、１３’によって、偏光方向が直交しており、干渉を起こすことはない。したがって、２本のビームの相対位置により強度分布が変化することはなく、各々のレーザ光によって安定して目的とする球状粒子２、２’を捕捉することができる。
【００３６】
３個目の球状粒子２”を捕捉するためのビームは、上記したレーザ光との干渉を避けるために、上記の２本のビームと波長の異なるレーザ光を発生する光源７”を使用する。光源７”からのレーザ光も上記した２本のビームと同様に、ビームエクスパンダ８’によって径を変化され、電磁シャッタ１１”を介した後に、焦点位置移動機構１２”を経由して、ビームスプリッタ１３”によって上記２本のビームと光路軸を揃えられ、リレーレンズ１４を経由して顕微鏡６内に導入され、３個目の微粒子２”を捕捉する。
【００３７】
次に、上記したように３本のレーザ光によって安定に保持された、剛性を有する、即ち形状が容易に変化しない微小物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。
【００３８】
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。
【００３９】
ステップＳ２において、ＣＰＵ２０は、取り込んだ２枚の画像データを、ビデオ部２５を介して表示部２７に表示し、操作部２３によって、表示された２枚の画像の対応する点が指定されるのを待ち受ける。ここで、操作部２３が操作されて、各々の画像上で、３個の球状粒子２〜２”に対応する３個の点（合計６個の点）が指定されると、ＣＰＵ２０は、第１及び第２カメラ部４、４’の３次元座標、及び指定された点の各々の画像上での座標を基に、３個の球状粒子２〜２”の３次元座標を計算する。
【００４０】
ステップＳ３において、ＣＰＵ２０は、３本のレーザ光が、ステップＳ２で３次元座標を計算された３個の球状粒子２〜２”の各々に集束するように、制御インタフェース部２４を介して、第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”を制御し、レーザ光の照射を開始する。これによって、光ピンセットの原理で３個の球状粒子２〜２”が捕捉、すなわち、微小物３が安定に保持される。
【００４１】
微小物３が保持された後、ステップＳ４において、ＣＰＵ２０は、微小物３の姿勢及び位置を変更する指示を待ち受ける。剛性物である微小物３の姿勢及び位置の変化は、微粒子の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、３個の球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”の現在の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。ここでｉ＝１〜３であり、３個の球状粒子２〜２”に対応する。
【００４２】
ステップＳ４で球状粒子２〜２”の目標位置座標が計算された後、ステップＳ５において、球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”を捕捉しているレーザ光の焦点位置の移動が速過ぎると、球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”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の値は捕捉用レーザ光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。
【００４３】
ステップＳ６において、ＣＰＵ２０は、第１〜第３焦点移動機構１２〜１２”を制御して、各レーザ光の集束位置を微小量だけ変化させて、各レーザ光を（Ｘｓｉ＋ΔＸｉ、Ｙｓｉ＋ΔＹｉ、Ｚｓｉ＋ΔＺｉ）に集束させる。これによって、光ピンセットの原理によって、レーザ光の焦点位置の微小移動に応じて、球状粒子２〜２”も微小移動する。例えば、最終的に図５に示したように微小物３の位置と姿勢を変化させるために、即ち３本のレーザ光によって捕捉された球状粒子２〜２”を移動させるために、球状粒子２〜２”の最初の微小移動が行われる。
【００４４】
ステップＳ７において、ＣＰＵ２０は、ステップＳ１と同様に第１及び第２カメラ４、４’から画像を取り込み、ステップＳ２で指定された点、即ち３個の球状粒子２〜２”の現在位置座標（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）（ｉ＝１〜３）を計算する。
【００４５】
ステップＳ８において、ＣＰＵ２０は、各々の球状粒子２〜２”に関して、現在位置座標と（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）とステップＳ４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Ｓ１０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Ｓ９に移行する。
【００４６】
ステップＳ９において、ＣＰＵ２０は、（Ｘｉ，Ｙｉ，Ｚｉ）を移動開始点として、ステップＳ５と同様に、微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を計算した後、ステップＳ６に移行する。
【００４７】
ステップＳ８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、目標位置に全ての球状粒子２〜２”が到達したと判断されるまで、ステップＳ６〜Ｓ９の処理を繰り返す。これによって、図５に示したように、微小物３の姿勢及び位置を変更することができる。
【００４８】
ステップＳ１０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、レーザ光の焦点位置の移動を停止して、その位置と姿勢で微粒子を保持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、微小物３を移動する指示を受け付けるためにステップＳ４に戻り、ステップＳ４〜Ｓ９の処理を繰り返す。
【００４９】
以上において、ステップＳ４での微小物３の姿勢及び位置を変更する指示が、微粒子の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、球状粒子２〜２”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、３個の球状粒子２〜２”相互の距離を保持する条件で、各々の球状粒子２〜２”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。
【００５０】
また、微小物３の形状が柔軟に変化し得るものであれば、ステップＳ４における微小物３の姿勢及び位置を変更する指示は、各々の球状粒子２〜２”の目標位置を直接指定することによって行えばよい。この場合、球状粒子２〜２”の３次元座標（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ）と、指定された目標位置座標（Ｘｅｉ，Ｙｅｉ，Ｚｅｉ）とを使用して、球状粒子２〜２”を目標位置にゆるやかに移動するために必要となる微小位置変化量（ΔＸｉ、ΔＹｉ、ΔＺｉ）を、例えば、移動開始点の座標（Ｘｓｉ，Ｙｓｉ，Ｚｓｉ）と、目標位置座標（Ｘｅｉ，Ｙｅｉ，Ｚｅｉ）との差を所定数Ｎで除して計算すればよい。従って、３個の球状粒子２〜２”全てをレーザ光によって捕捉せずに、２個の球状粒子、例えば球状粒子２、２’のみを捕捉して、その間隔を変化させることによって、微小物３の形状を変化させることもできる。
【００５１】
また、３個の球状粒子２〜２”及び３本のレーザ光を使用する場合を説明したが、４個以上の球状粒子又は４本以上のレーザ光を使用してもよい。特に、操作の途中において微小物３の回転などによって、一部の球状粒子をカメラで観測できなくなる場合や、レーザ光で捕捉できなくなる場合にも制御を可能とするには、少なくとも３個の球状粒子がカメラによって常に観測され、且つレーザ光で常に捕捉され得るように、４個以上の球状粒子を微小物３の表面の適切な位置に取り付けて、姿勢制御することが望ましい。
【００５２】
また、球状粒子２〜２”の材質は、上記したポリスチレンやホウ珪酸塩ガラスに限定されず、所定の波長のレーザ光を透過し、所定の波長のレーザ光に対して周囲の媒質よりも高屈折率である材質であれば良い。
【００５３】
また、上記では、最初に、人によって操作部２３が操作されて球状粒子２〜２”の位置が指定される場合を説明したが、第１及び第２カメラ４、４’の画像上で識別可能な３個の球状粒子２〜２”を取り付けることによって、画像認識技術によって自動的に各々の球状粒子２〜２”を識別し、３次元座標を計算するようにしてもよい。識別手段としては、色素による着色、量子ドットやマイクロ加工によるコード化、さらには、粒子径の違いなどを使用すればよい。
【００５４】
また、球状粒子２〜２”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、球状粒子２〜２”に照射された場合に、球状粒子２〜２”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。
【００５５】
また、球状粒子２〜２”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、球状粒子２に照射された場合に、球状粒子２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。
【００５６】
また、捕捉用のビームには、捕捉された球状粒子２〜２”を微小移動させる時間間隔よりも十分に短い周期で１本のビームを時分割して複数本のビームを生成し、これを使用してもよい。
【００５７】
また、微小物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、球状粒子２〜２”の移動経路を指定した一連の時系列座標データや、微小物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物３の姿勢制御を自動的に行うようにしてもよい。
【００５８】
さらに、本発明は上記した実施の形態の構成に限定されるものではなく、球状粒子を捕捉するためのビームの選択、光学系など、適宜設計変更し得るものである。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば、微小な３次元空間内に配置された非球状の微小物に対しても、その姿勢及び位置を、非接触で、精密且つ安定に自動操作することができ、この操作の際において微小物に熱的損傷や不安定な回転及び振動を発生させることがない。
【００６０】
従って、本発明を用いれば、３次元の微小空間において位置と姿勢を指定した精密な運搬作業が可能となり、マイクロマシニング技術で製作される複雑な３次元構造を有するマイクロ構造物の自動組立が可能となる。
【００６１】
また、針状のウイスカや糸状のＤＮＡなど、多様な形状と性質を有する試薬や生体高分子のような非球状の物質を、複雑な経路に沿って姿勢を制御しつつ自動的に運搬できるので、新規な機能や感度の高いμ−ＴＡＳの構築が可能となる。
【００６２】
また操作はすべて非接触で行えるため、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やマイクロマシンの自動生産が可能となる。
【００６３】
さらに、標識としての微粒子をマイクロハンドに取り付けることにより、ビームを駆動源とする遠隔操作によるマイクロハンドの６自由度駆動操作が可能となり、これによってより精密なマイクロ間接マニピュレーションを行うことも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る微小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微小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】本発明の実施の形態に係る微小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。
【図５】対象物が姿勢制御される状態を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ 集束されたレーザ光
２、２’、２” 球状粒子
３ 微小物
４、４’ 第１、第２カメラ部
５ 制御部
６ 顕微鏡
７、７’、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’、１１” 電磁シャッタ
１２、１２’、１２” 第１〜第３焦点位置移動機構
１３、１３’、１３” 第２偏光ビームスプリッタ
１４ リレーレンズ
１５ 集束レンズ
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
Claims (14)
- 少なくとも３個の微粒子が表面に取り付けられた微小物の３次元空間内での姿勢及び位置を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、
複数台のカメラと、
少なくとも３本の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、
前記微粒子が、球形であり、前記ビームに対して周囲の媒体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粒子の複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、
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対応する前記３次元位置座標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、
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、前記ビームの集束位置を変化させることを特徴とする微小物の姿勢制御装置。 - 前記制御部が、
前記操作部から、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、
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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算し、
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対応する前記目標位置の３次元座標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に記載の微小物の姿勢制御装置。 - 前記微小物が剛性物である場合、
前記制御部が、複数枚の前記画像から計算した各々の前記微粒子の３次元位置座標の相対距離を保持するように、前記目標位置の３次元座標を計算することを特徴とする請求項２に記載の微小物の姿勢制御装置。 - 各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、
前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする請求項１〜３の何れかの項に記載の微小物の姿勢制御装置。 - 少なくとも２個の微粒子が表面に取り付けられ、柔軟性を有する微小物の形状を変化させる微小物の姿勢制御装置であって、
複数台のカメラと、
少なくとも２本の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、
前記微粒子が、球形であり、前記ビームに対して周囲の媒体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粒子の複数枚の画像から、前記微粒子の３次元位置座標を計算し、
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対応する前記３次元位置座標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、
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、前記ビームの集束位置の間隔を変化させることを特徴とする微小物の姿勢制御装置。 - 前記制御部が、
前記操作部から、前記ビームの集束位置の間隔を変化させる変化情報の入力を受け、
前記変化情報と、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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算し、
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対応する前記目標位置の３次元座標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５に記載の微小物の姿勢制御装置。 - 各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、
前記制御部が、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする請求項５又は６に記載の微小物の姿勢制御装置。 - 少なくとも３本のビームを生成する第１ステップと、
球形であり、微小物の表面に取り付けられ、周囲の媒体よりも高屈折率で前記ビームを透過させる、少なくとも３個の微粒子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、前記微粒子の３次元位置座標を計算する第３ステップと、
各々の前記ビームが対応する前記３次元位置座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束させる第４ステップと、
前記ビームの集束位置を変化させる第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。 - 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前記微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算する第７ステップと、
各々の前記ビームが対応する前記目標位置の３次元座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束する第８ステップとを含むことを特徴とする請求項８に記載の微小物の姿勢制御方法。 - 前記微小物が剛性物である場合、
前記第７ステップにおいて、複数枚の前記画像から計算した各々の前記微粒子の３次元位置座標の相対距離を保持するように、前記目標位置の３次元座標を計算することを特徴とする請求項９に記載の微小物の姿勢制御方法。 - 各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、
前記第３ステップにおいて、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする請求項８〜１０の何れかの項に記載の微小物の姿勢制御方法。 - 少なくとも２本のビームを生成する第１ステップと、
球形であり、柔軟性を有する微小物の表面に取り付けられ、周囲の媒体よりも高屈折率で前記ビームを透過させる、少なくとも２個の微粒子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、前記微粒子の３次元位置座標を計算する第３ステップと、
各々の前記ビームが対応する前記３次元位置座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束させる第４をステップと、
前記ビームの集束位置の間隔を変化させる第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。 - 前記ビームの集束位置の間隔を変化させる変化情報を受け付ける第５ステップと、
前記変化状報情報と、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微粒子の３次元位置座標とを使用して、前記微粒子の移動先である目標位置の３次元座標を計算する第６ステップと、
各々の前記ビームが対応する前記目標位置の３次元座標に集束するように、前記ビームの光路を変化させ、且つ集束する第７ステップとを含むことを特徴とする請求項１２に記載の微小物の姿勢制御方法。 - 各々の前記微粒子が、前記カメラによって相互に識別可能な特徴を有し、
前記第３ステップにおいて、複数台の前記カメラによって得られる複数枚の画像を、視差を有する画像として画像処理して前記微粒子を認識し、前記微粒子の３次元位置座標を計算することを特徴とする請求項１２又は１３に記載の微小物の姿勢制御方法。
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