JP2005189298A - 顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操作針の交換や再設定の後に、観察光学系の観察視野内へ操作針の針先端の移動を容易に行える顕微鏡装置を提供すること。
【解決手段】 標本を観察する観察光学系を備えた顕微鏡５と、前記標本に対して刺激を与え、又は前記標本の状態変化を検出するための操作針２３を制御する制御手段と、前記観察光学系の光軸と異なる光軸を有する検出光学系を有する検出手段２５とを備え、前記制御手段は、前記検出光学系の視野内に入れられた前記操作針２３の第１位置データと、前記観察光学系の視野内に入れられた前記操作針２３の第２位置データとから、それらの相関データを求め、前記相関データに基づき、前記操作針２３を制御する顕微鏡装置Ａ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、顕微鏡下で微細操作するマニピュレータを有する顕微鏡装置に関する。

従来、マニピュレータに取り付けられた操作針（例えば、標本（試料）に対して刺激を与えたり、又は標本の状態変化を信号検出する電極針など）やインジェクションは、針先端が非常に細く繊細であり、そのような操作針などをマニピュレータに取り付け、その針先端を顕微鏡の視野内（例えば、電気生理で一般に使われる４０倍の対物レンズ下の目視観察での視野は５００μｍ程度、カメラ観察での視野は１５０μｍ程度）へ導入することは非常に困難である。さらに電気生理実験の場合は、対象となる試料が対物レンズ近傍に設置されており、操作針を実際に設置する際には、それらの試料に操作針先端が不用意に接触することがないように慎重に全ての操作を進めなければならない。このため、観察視野内で操作針のＸＹＺ方向の動きを電動制御できるマニピュレータ装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平１０−２０６７４９号公報

しかしながら、対物レンズの観察視野内での操作針の操作は視野を観察しながら上述の電動制御マニピュレータで高精度に行われるものの、電気生理実験等における始めの操作針の設置や途中で操作針を交換した際、操作針をマニピュレータヘの取り付け位置から試料近傍（観察視野内）へ移動する作業は人手により目視で行われている。このような方法は煩雑かつ難しい作業であり、使用者の熟練を要し、時には操作針の破損および不注意な操作による試料の損傷を引き起こすという問題がある。

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、操作針の交換や再設定の後に、観察光学系の観察視野内へ操作針の針先端の移動を容易に行える顕微鏡装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明は、標本を観察する観察光学系を備えた顕微鏡と、前記標本に対して刺激を与え、又は前記標本の状態変化を検出するための操作針を制御する制御手段と、前記観察光学系の光軸と異なる光軸を有する検出光学系を有する検出手段とを備え、前記制御手段は、前記検出光学系の視野内に入れられた前記操作針の第１位置データと、前記観察光学系の視野内に入れられた前記操作針の第２位置データとから、それらの相関データを求め、前記相関データに基づき、前記操作針を制御することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。

また、本発明の顕微鏡装置では、前記検出光学系は、前記観察光学系より低倍率であることが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置では、前記制御手段は、前記操作針を操作するマニュピレータを有し、前記第１位置データ及び前記第２位置データは、前記マニュピレータの座標データであることが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置は、前記操作針が新たな操作針に交換された際に、前記新たな操作針を前記検出手段の前記検出光学系視野内に入れると、前記制御手段は、前記新たな操作針の位置データとして第３位置データを取得し、前記第３位置データ及び前記相関データに基づき、前記新たな操作針を前記顕微鏡の前記観察光学系の前記第２位置に駆動制御できることが好ましい。

また、本発明は、標本を観察する、倍率の異なる複数の観察光学系を備えた顕微鏡と、前記標本に対して刺激を与え、又は前記標本の状態変化を検出するための操作針を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、相対的に低倍率の前記観察光学系の視野内に入られた前記操作針の第１位置データと、他の前記観察光学系の視野内に入れられた前記操作針の第２位置データとから、それらの相関データを求め、前記相関データに基づき、前記操作針を制御することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。

また、本発明の顕微鏡装置では、前記制御手段は、相対的に低倍率の前記観察光学系と他の前記観察光学系との光軸ズレを検出し、ズレデータとして記憶し、前記ズレデータに基づき、前記相関データによる駆動制御を補正することが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置では、前記制御手段は、前記複数の観察光学系毎に、所定のターゲットに合焦動作をさせることで、前記光軸のズレデータを算出することが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置では、前記制御手段は、前記操作針を操作する前記マニュピレータを有し、前記ズレデータをマニュピレータの座標に変換し、その変換データに基づき、前記操作針を駆動することが好ましい。

また、本発明の顕微鏡装置では、前記制御手段は、前記操作針の移動軌跡を記憶し、前記移動軌跡に基づいて前記操作針の移動を制御することが好ましい。

本発明によれば、操作針の交換や再設定の後に、観察光学系の観察視野内へ操作針の針先端の移動を容易に行える顕微鏡装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に関し図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の第１実施の形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。図２は、第１実施の形態の顕微鏡装置の制御ブロックの模式図である。図３は、第１実施の形態にかかる顕微鏡装置の操作針の位置決め手順を示すフローチャートの内、初期設定作業のフローチャートを示し、図４は、操作針交換後の位置決め手順を示すフローチャートを示し、図５は、標本位置を変更する際の操作針の位置決め手順を示すフローチャートをそれぞれ示す。図６は、本発明の第２実施の形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。図７は、第２実施の形態の顕微鏡装置の制御ブロックの模式図である。図８は、第２実施の形態にかかる顕微鏡装置の操作針の位置決め手順を示すフローチャートである。

（第１実施の形態）
（顕微鏡装置Ａの構成）
図１、図２において、ステージ１に固定された顕微鏡ＸＹステージ３に顕微鏡５が載置され、ステージ１に複数の支柱７によって支持された標本ステージ９が設けられている。標本ステージ９には不図示の標本が載置され、顕微鏡５の照明光学系１１で照明され、高倍の対物レンズ１３（以後、対物レンズと記す）で標本からの光が集光されて、顕微鏡５の観察光学系を介して接眼レンズ１５で観察される。

標本の観察位置の変更は顕微鏡ＸＹステージ３を用いて顕微鏡５をＸＹ面内で移動させて行う。顕微鏡ＸＹステージ３にはＸ方向位置検出エンコーダ４Ｘ及びＹ方向位置検出エンコーダ４Ｙで構成された観察位置検出手段４が設けられており、顕微鏡ＸＹステージ３のＸＹ座標を検出することによって、標本の観察位置座標（顕微鏡５の座標系に相当する）（Ｘ、Ｙ）としている。標本の観察位置のＺ座標は、焦準レバー１７による対物レンズ１３の上下動をＺ方向位置検出エンコーダ４Ｚで構成された観察位置検出手段４で検出する。これで、標本の観察位置の座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が検出され、座標データが顕微鏡制御装置１９（パーソナルコンピュータＰＣ等、以後ＰＣと記す）のメモリに登録される。

標本ステージ９上で顕微鏡５の近傍には、マニュピレータ２１が配設されており、マニュピレータ２１には操作針２３が固定されている。マニュピレータ２１の座標系は、マニュピレータ２１に配置されたＸ’方向、Ｙ’方向及びＺ’方向の位置検出エンコーダから構成されるマニュピレータ座標検出手段２２で検出される。マニュピレータ２１に固定されている操作針２３の針先端が座標データ（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）としてＰＣ１９のメモリに登録される。

また、標本ステージ９上でマニュピレータ２１の近傍には、マニュピレータ２１に固定されている操作針２３の針先端を検出する針先端位置検出手段２５が配置されている。針先端位置検出手段２５は低倍の撮像レンズと撮像素子（例えば、ＣＣＤカメラ等）を用いたカメラ（以下、低倍のカメラ２５と記す）であり、開口数が０．２以上、視野数が１．５ｍｍ以上のレンズを用いることが、対物レンズ１３の観察視野内のセット位置に操作針２３の針先端を高精度に位置決めするために望ましい。

対物レンズ１３の視野内のセット位置の座標データと操作針２３の針先端の座標データと、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置とをＰＣ１９を介して相対的に関連付け、この結果、操作針２３の針先端は、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置にセットされた後、ＰＣ１９の制御手段を介してマニュピレータ２１で駆動され、対物レンズ１３の視野内のセット位置に位置決めされる。このようにして顕微鏡装置Ａが構成されている。

マニュピレータ２１は、以下、説明する初期設定作業後にはＰＣ１９内に設けられた制御手段によって制御されて、操作針２３の針先端が低倍のカメラ２５の視野内のセット位置から対物レンズ１３の観察視野内のセット位置へ移動されて、観察標本の所定位置に設定される。なお、セット位置は、視野中心近傍であり、実験動作に入るために適した観察位置とする。

（初期設定作業）
本第１実施の形態に係る顕微鏡装置Ａの操作針２３の針先端の位置決め手順について図３から図５に示すＰＣ１９のフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、顕微鏡５の座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）のホームポジションが初期設定される（Ｓ１）。

図３に示すように、顕微鏡５の対物レンズ１３の焦点合わせが行われる。これはカバーガラスに載せられたポリスチレンなどの数μｍの直径を持つビーズが、対物レンズ１３の視野中心で合焦されることで行われる。

操作者は、対物レンズ１３の視野中心位置にビーズを移動し（光学系内の写真撮影用の十字線などを利用）、焦準レバー１７とＸＹステージ３とを操作してビーズに合焦させる。この時、顕微鏡ＸＹステージ３および対物レンズ１３の上下動に設けられている観察位置検出手段４（４Ｘ、４Ｙ、４Ｚ）は、検出された座標データ（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）をＰＣ１９に伝達し、ＰＣ１９はこの座標データ（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）をホームポジションデータとしてメモリへ登録する。なお、顕微鏡ＸＹステージ３および対物レンズ１３を動かす焦準レバー１７は電動でも手動でも良い。

次に、対物レンズ１３の視野内における操作針２３の針先端位置と、低倍のカメラ２５の視野内における操作針２３の針先端位置との相対位置関係をマニュピレータ２１の座標系（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）により決める初期設定作業について説明する。

この初期設定作業により、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置の操作針２３の針先端位置（視野中心位置にセットされることが多い）と、高倍（例えば、４０倍）の対物レンズ１３により観察される観察視野内のセット位置の操作針２３の針先端位置（視野中心にセットされることが多い）の相関関係が事前にＰＣ１９のメモリに登録される。

具体的には、操作者はマニュピレータ２１を操作して、操作針２３の針先端を低倍のカメラ２５の視野内の所定のセット位置に移動し、この時のマニュピレータ２１の座標データがＰＣ１９に登録される。また対物レンズ１３の視野内の所定のセット位置に移動し、この時のマニュピレータ２１の座標データがＰＣ１９に登録される。これら２つの座標データにより、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置と対物レンズ１３の視野内のセット位置との相関関係がＰＣ１９により決められる。

更に具体的に説明する。操作者は、操作針２３の針先端を対物レンズ１３の視野内のセット位置にマニピュレータ２１を使って移動し、操作針２３の針先端に焦点が合うようにマニピュレータ２１をＸ’Ｙ’Ｚ’それぞれの方向に移動する（Ｓ２）。

この時、マニュピレータ座標検出手段２２は、検出されたマニピュレータ２１の座標データ（Ｘ’０、Ｙ’０、Ｚ’０）をＰＣ１９に伝達し、ＰＣ１９はこれをメモリへ登録する（Ｓ３）。なお、登録の方法は、手動のスイッチでも良いし、あるいは、対物レンズ１３の視野内のセット位置にセットされた操作針２３の針先端の座標を検出するための自動焦点装置があれば、その合焦信号に基づいて行っても良い。

次に、操作者は操作針２３の針先端を低倍のカメラ２５の視野内のセット位置にマニピュレータ２１を使って移動させ、操作針２３の針先端に低倍のカメラ２５の焦点が合うようにマニュピレータ２１を駆動する（Ｓ４）。

この時、マニュピレータ座標検出手段２２は、検出されたマニュピレータ２１の座標データ（Ｘ’１、Ｙ’１、Ｚ’１）をＰＣ１９に伝達し、ＰＣ１９はこれをメモリへ登録する（Ｓ５）。なお、登録の方法は、手動のスイッチでも良いし、あるいは低倍のカメラ２５に自動焦点装置があれば、その合焦信号に基づいて行っても良い。

以上の２つのマニュピレータ２１の座標データを用いて、操作針２３の針先端の移動量がＰＣ１９で算出される。

低倍のカメラ２５の視野内のセット位置から対物レンズ１３の視野内のセット位置までの針先端の移動量データは、マニュピレータ２１の各座標の差分データ、
δＸ’＝Ｘ’１−Ｘ’０、
δＹ’＝Ｙ’１−Ｙ’０、
δＺ’＝Ｚ’１−Ｚ’０、
としてそれぞれ演算され、移動量データ（δＸ’、δＹ’、δＺ’）としてＰＣ１９のメモリに登録される（Ｓ６）。以上で初期設定作業を終了する。

これで、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置に操作針２３の針先端をセットすれば、ＰＣ１９の制御手段によってマニュピレータ２１が駆動され、操作針２３の針先端が対物レンズ１３の視野内のセット位置に自動的にセットされる。

（操作針２３の交換作業後の針先端の位置決め）
次に、操作針２３を別の操作針に交換した後、あるいは誤って操作針２３を破損して新たな操作針２３に交換した際の針先端の位置決めに関して、図４のＰＣ１９のフローチャートを参照しつつ説明する。

操作者は、新たな操作針２３の針先端を対物レンズ１３の視野内のセット位置に移動する際は、上述の初期設定作業を終了しているので、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置にマニュピレータ２１により操作針２３をセットすれば、後述のように自動的に対物レンズ１３の視野内のセット位置に操作針２３の針先端をセットすることができる。

具体的に、操作者は、新たな操作針２３をマニュピレータ２１に固定した後（Ｓ１１）、マニュピレータ２１をＰＣ１９の制御手段を介して駆動し、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置に操作針２３の針先端を移動し、針先端に合焦させる。

この時、マニュピレータ座標検出手段２２は、検出したマニュピレータ２１の座標データ（Ｘ’２、Ｙ’２、Ｚ’２）をＰＣ１９に伝達し、ＰＣ１９は、この座標データをメモリに登録する（Ｓ１２）。なお、登録の方法は前述と同様である。

次に、ＰＣ１９は、座標データ（Ｘ’２、Ｙ’２、Ｚ’２）と前述の座標データ（Ｘ’１、Ｙ’１、Ｚ’１）との差分データ（δＸ’１、δＹ’１、δＺ’１）、
δＸ’１＝Ｘ’２−Ｘ’１、
δＹ’１＝Ｙ’２−Ｙ’１、
δＺ’１＝Ｚ’２−Ｚ’１、
を算出する（Ｓ１３）。

そして、この差分データ（δＸ’１、δＹ’１、δＺ’１）を用いて、操作針２３の針先端の新しい移動量（δＸ’２，δＹ’２、δＺ’２）が、
δＸ’２＝δＸ’＋δＸ’１、
δＹ’２＝δＹ’＋δＹ’１、
δＺ’２＝δＺ’＋δＺ’１、
により算出され、マニュピレータ２１の新しい駆動データとしてＰＣ１９のメモリに登録される（Ｓ１４）。

次に、新しい移動量データが、
δＸ’２＝δＹ’２＝δＺ’２＝０
となるようにＰＣ１９の制御手段を介してマニュピレータ２１を駆動する（Ｓ１５）。

この結果、交換した新たな操作針２３の針先端が対物レンズ１３の視野内の初期設定したセット位置の座標データ（Ｘ’０、Ｙ’０、Ｚ’０）に位置決めされる。

このように本第１実施の形態では、操作針２３を新しい針に交換した際に、操作者が、低倍のカメラ２５の視野内のセット位置に操作針２３の針先端をセットすれば、ＰＣ１９の制御手段を介して自動的にマニュピレータ２１を駆動して、高倍の対物レンズ１３の視野内のセット位置（操作針２３の交換前にセットした位置）に操作針２３の針先端を容易に位置決めすることが可能となる。

この際、マニピュレータ２１は制御ＰＣ１９よってマニピュレータ２１の駆動が制御され針先端の移動がおこなわれるため、目視によって針先端位置を確認しながら対物レンズ１３の視野内のセット位置へセットする作業は不要である。

（観察位置を変えた際の針先端の位置決め）
次に、操作者が、操作針２３の針先端を標本から外し、新しい観察位置に対物レンズ１３の視野中心位置を変えた後で、再び操作針２３の針先端を対物レンズ１３の視野内のセット位置に配置する手順について図５に示すＰＣ１９のフローチャートを参照しつつ説明する。

観察位置を変える際は、操作者の指示によりＰＣ１９はマニュピレータ２１に指令を出して、操作針２３の針先端を標本から外し一時退避場所に針先端を移動する（Ｓ２１）。

次に、操作者は、顕微鏡ＸＹステージ３および焦準ハンドル１７を操作して標本に対する対物レンズ１３の視野中心位置と焦点位置を変える。この時、顕微鏡ＸＹステージ３および対物レンズ１３の上下動に設けられた観察位置検出手段４（検出エンコーダ４Ｘ、４Ｙ、４Ｚ）は、検出された座標データ（Ｘ１、Ｙ１，Ｚ１）をＰＣ１９に伝達する。ＰＣ１９はこの座標データをメモリに登録する（Ｓ２２）。

ＰＣ１９は、上記座標データ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）と前述の初期設定作業時の顕微鏡５のホームポジションの座標データ（Ｘ０、Ｙ０、Ｚ０）との差分データ（δＸ、δＹ、δＺ）、
δＸ＝Ｘ１−Ｘ０、
δＹ＝Ｙ１−Ｙ０、
δＺ＝Ｚ１−Ｚ０、
をそれぞれ算出して、これをＰＣ１９のメモリに登録する（Ｓ２３）。

顕微鏡５のＸＹＺ軸とマニュピレータ２１のＸ’Ｙ’Ｚ’軸が一致していない場合には、下記のデータ変換が必要となる。顕微鏡５の観察位置座標軸の単位ベクトルＵ_microscope（ｉ_ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_ｚ）とマニュピレータ２１の位置座標軸の単位ベクトルＵ_manipulator（ｉ’_ｘ、ｉ’_ｙ、ｉ’_ｚ）との変換パラメータデータＡ（予め検出記憶していた）を用いて（Ａは行列となる場合が多い）、
Ｕ_manipulator（ｉ’_ｘ、ｉ’_ｙ、ｉ’_ｚ）＝Ａ×Ｕ_microscope（ｉ_ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_ｚ）
が算出され、これをＰＣ１９のメモリに登録する。このような座標変換を用いることで、座標軸上の任意のベクトル（この場合Ｅとす）の変化分も
ΔＥ’×Ｕ_manipulator（ｉ’_ｘ、ｉ’_ｙ、ｉ’_ｚ）＝ΔＥ×〔Ａ×Ｕ_microscope（ｉ_ｘ、ｉ_ｙ、ｉ_ｚ）〕
として移動量を補正することが可能となる。

それぞれの座標軸変換を行った上で、マニュピレータ２１の移動量データ（ΔＸ’、ΔＹ’，ΔＺ’）を、前述のマニュピレータ２１の座標データ（Ｘ’０、Ｙ’０、Ｚ’０）に差分データとして与え、新たな移動量データ（ΔＸ’、ΔＹ’、ΔＺ’）が、
ΔＸ’＝Ｘ’０＋ΔＸ’、
ΔＹ’＝Ｙ’０＋ΔＹ’、
ΔＺ’＝Ｚ’０＋ΔＺ’、
で算出され、ＰＣ１９のメモリに登録される（Ｓ２４）。

次に、マニュピレータ２１がＰＣ１９の制御手段により、
ΔＸ’＝ΔＹ’＝ΔＺ’＝０
となるように駆動される。

この結果、操作針２３の針先端が対物レンズ１３の視野内のセット位置座標データ（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）に再び位置決めされる（Ｓ２５）。

このように本第１実施の形態では、操作針２３の針先端を標本から外し、標本の観察位置を変えた時も、観察位置検出手段４で検出された顕微鏡５の観察位置座標データ（Ｘ，Ｙ、Ｚ）の変化がＰＣ１９に伝達される。これにより新たな移動量データがＰＣ１９で算出されて、ＰＣ１９の制御手段を介してマニピュレータ２１が駆動され、操作針２３の針先端を対物レンズ１３の視野内のセット位置に位置決めすることが可能となる。この場合も、操作針２３の交換時と同様に、目視によって針先端位置を確認しながら対物レンズ１３の視野内のセット位置に針先端を合わせる作業等は不要である。

上述の説明では、低倍のカメラ２５を用いた操作針２３の針先端の検出は、手動の場合について説明したが、低倍のカメラ２５からの画像を画像処理手段により処理することで検出することも可能である。

具体的には、画像コントラスト法による計算値を比較しながら操作針２３を保持するマニピュレータ２１を移動し、この移動量をマニュピレータ座標検出手段２２で検出することによって針先端位置設定の自動化が可能である。

また、画像処理手段により針先端の画像コントラスト検出を行うことにより、操作針２３の針先端を視野内のセット位置（視野中心位置が望ましい）に導くことに関しても自動化が可能である。これにより、低倍のカメラ２５の視野内においてレンズの焦点深度内（例えば、１２．５μｍ程度）および視野中心位置の１０％程度内（例えば、φ１５０μｍ内）へ操作針２３の針先端を導くことが可能となる。

また、針先端位置の低倍のカメラ２５の視野内のセット位置からのズレ量を、画像処理手段により検出してＰＣ１９にズレ量データとして登録し、前述の座標処理の際の補正データとして用いることによって、操作針２３の針先端が低倍のカメラ２５の視野内のセット位置に対してズレていても対物レンズ１３の視野内のセット位置に針先端を持ってくることが可能となる。これにより、針先端を低倍のカメラ２５の視野内の焦点深度内に配置することのみで、容易に対物レンズ１３の視野内のセット位置に針先端を配置することが可能となる。

また、顕微鏡５に撮像装置を設け、対物レンズ１３の視野像を画像処理し針先端位置を検出しＰＣ１９の制御手段で処理することで、前述の初期設定作業時の操作針２３の針先端検出をほぼ自動で行うことが可能となる。

また、多くの実験では、対物レンズ１３として水浸式の対物レンズ（例えば、４０倍）を利用しているため、繊細でゆっくりとした試料への接近が必要となったり、標本の周辺には別の操作針等が配置されたり、あるいは操作針への配線等があったりするため、これらを避けながら針先端を標本に位置決めする必要がある。

このような時、本第１実施の形態では、低倍のカメラ２５で針先端位置を検出した後、高倍の対物レンズ１３の視野内のセット位置に針先端位置を位置決めする時のマニピュレータ２１の移動軌跡をＰＣ１９に登録しておくことによって、低速で障害物を避けながら操作針２３の針先端を対物レンズ１３の視野内のセット位置に位置決めすることが可能となる。

また、対物レンズの切替えや観察位置の変更の際に、操作針２３を退避位置に退避させ、再度観察位置に配置する動作が必要となる。「高倍対物レンズ１３の視野内のセット位置→退避位置→高倍対物レンズ１３の視野内のセット位置」（退避位置は事前登録しておくものとする）のマニピュレータ２１の動作軌跡を記憶しておくことによって、対物レンズ１３の切替えや観察位置の変更の際に、高速で針先端を標本にセットすることが可能となる。

これらは、マニピュレータ２１の位置座標と移動速度情報とをＰＣ１９に登録しておき、必要に応じて再生することによって、マニピュレータ２１の移動軌跡が再現されることによって可能となる。

なお、マニピュレータ２１の移動軌跡を再現する際に、より安全性を確保するため移動軌跡のそれぞれの動作を分割し、分割した動作毎に操作者が指定しながらゆっくりと動作を進めてゆくという方法（例えば、コンピュータのキーストロークによるステップバイステップ方法）も可能である。

（第２実施の形態）
次に、本発明の第２実施の形態に係る顕微鏡装置について説明する。第１実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明する。

（顕微鏡装置Ｂの構成）
図６、図７において、ステージ１に固定された顕微鏡ＸＹステージ３に顕微鏡５が載置され、ステージ１に複数の支柱７によって支持された標本ステージ９が設けられている。標本ステージ９には不図示の標本が載置され、顕微鏡５の照明光学系１１で照明され、低倍の対物レンズ１４、または高倍の対物レンズ１６で標本からの光が集光されて、顕微鏡５の観察光学系を介して接眼レンズ１５およびカメラ３５（ＣＣＤカメラ等）により不図示のモニタで観察される。

標本の観察位置の変更は顕微鏡ＸＹステージ３を用いて顕微鏡５をＸＹ面内で移動させて行う。顕微鏡ＸＹステージ３にはＸ方向位置検出エンコーダ４Ｘ及びＹ方向位置検出エンコーダ４Ｙで構成された観察位置検出手段４が設けられており、顕微鏡ＸＹステージ３のＸＹ座標を検出することによって、標本の観察位置座標（顕微鏡５の座標系に相当する）（Ｘ、Ｙ）としている。標本の観察位置のＺ座標は、焦準レバー１７による低倍の対物レンズ１４（例えば、４倍の開口数０．２）、または高倍の対物レンズ１６（例えば、４０倍、開口数０．８）の上下動をＺ方向位置検出エンコーダ４Ｚで構成された観察位置検出手段４で検出する。これで、標本の観察位置の座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）が検出され、座標データがＰＣ１９のメモリに登録される。

標本ステージ９上で顕微鏡５の近傍には、マニュピレータ２１が配設されており、マニュピレータ２１には操作針２３が固定されている。マニュピレータ２１の座標系は、マニュピレータ２１に配置されたＸ’方向、Ｙ’方向、及びＺ’方向の位置検出エンコーダから構成されるマニュピレータ座標検出手段２２で検出される。マニュピレータ２１に固定されている操作針２３の針先端が座標データ（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）としてＰＣ１９のメモリに登録される。

後述するように、高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置の座標データ（Ｘ（０），Ｙ（０），Ｚ（０））と低倍の対物レンズ１４の視野内のセット位置の座標データ（Ｘ（１）、Ｙ（１）、Ｚ（１））と操作針２３の針先端の座標データ（Ｘ’、Ｙ’、Ｚ’）とがＰＣ１９を介して相対的に関連付けられている。この結果、操作針２３の針先端は、低倍の対物レンズ１４の視野内のセット位置にセットされた後、一時退避され、高倍の対物レンズ１６に切替えられた後、ＰＣ１９の制御手段を介してマニュピレータ２１で駆動され、高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置に位置決めされる。このようにして顕微鏡装置Ｂが構成されている。

次に、本第２実施の形態に係る顕微鏡装置Ｂの操作針２３の針先端位置決め手順について図８に示すＰＣ１９のフローチャートを参照しつつ説明する。

初期設定作業として、操作者は、低倍の対物レンズ１４と高倍の対物レンズ１６のそれぞれにより観察される視野内のセット位置の相対関係をＰＣ１９のメモリに登録する。

具体的には、操作者は、カバーガラスに載せられたポリスチレンなどの数μｍの直径を持つビーズを微分干渉観察もしくは蛍光観察により低倍の対物レンズ１４と高倍の対物レンズ１６とにより観察する（ビーズに合焦する）ことで行う。

操作者は、高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置にビーズが来るように顕微鏡ＸＹステージ３を移動し（光学系内の写真撮影用の十字線などを利用）、焦準ハンドル１７によって高倍の対物レンズ１６を上下動して合焦状態にする。この時、ＰＣ１９はカメラ３５の画像処理回路からの画像処理信号に応じて、あるいは外部指令信号に応じて、顕微鏡５の位置座標を顕微鏡ＸＹステージ３及び高倍の対物レンズ１６の上下動に設けられている観察位置検出手段４（４Ｘ、４Ｙ、４Ｚ）から座標データ（Ｘ（０）、Ｙ（０）、Ｚ（０））を受け取りＰＣ１９のメモリに登録する（Ｓ３１）。

次に、操作者は、低倍の対物レンズ１４に切替え、上述と同様にして視野内のセット位置にビーズが来るように顕微鏡ＸＹステージ３を移動し、焦準ハンドル１７によって低倍の対物レンズ１４を上下動して合焦状態にする。ＰＣ１９はカメラ３５の画像処理回路からの画像処理信号に応じて、あるいは外部指令信号に応じて、観察位置検出手段４から座標データ（Ｘ（１）、Ｙ（１）、Ｚ（１））を受け取りＰＣ１９のメモリへ登録する（Ｓ３２）。

なお、この際に顕微鏡ＸＹステージ３および低倍の対物レンズ１４、または高倍の対物レンズ１６の上下動は、電動ＸＹステージおよび電動上下動装置を利用するが、手動のＸＹステージおよび手動の上下動装置を利用しても良い。

続いて、ＰＣ１９は、メモリに登録した低倍の対物レンズ１４と高倍の対物レンズ１６の座標データの差分データ（ΔＸ（１）、ΔＹ（１）、ΔＺ（１））、
ΔＸ（１）＝Ｘ（１）−Ｘ（０）、
ΔＹ（１）＝Ｙ（１）−Ｙ（０）、
ΔＺ（１）＝Ｚ（１）−Ｚ（０）、
を算出しＰＣ１９のメモリに登録する（Ｓ３３）。なお、複数の高倍の対物レンズがある場合には、それぞれ低倍の対物レンズ１４との差分データをメモリに登録する。

以上が顕微鏡装置側の座標データ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）の初期設定作業である。即ち、低倍の体物レンズ１４と高倍の対物レンズ１６との光軸ズレをオフセット値としてＰＣ１９のメモリに登録する。

また、一般的には、顕微鏡装置Ｂの対物レンズの取り付け公差などにより低倍の対物レンズ１４と高倍の対物レンズ１６の焦点位置が若干異なることや視野中心がズレルことがあるが、上述の座標データを用いＰＣ１９で差分データを算出することによりズレを相殺することが可能である。

次に、操作針２３の針先端が標本にセットされる際のマニピュレータ２１の操作について説明する。

初めて操作針２３をマニピュレータ２１に取り付け、低倍の対物レンズ１４または高倍の対物レンズ１６の下に設置する際、操作者は、操作針２３をまず低倍の対物レンズ１４の視野内の所定のセット位置に導き針先端位置を合焦状態にする。この時、マニュピレータ２１の位置（即ち操作針２３のセット位置）の座標データは、マニュピレータ２１の座標系の座標データ（Ｘ’１、Ｙ’１、Ｚ’１）として、ＰＣ１９のメモリに登録される（Ｓ３４）。

低倍の対物レンズ１４を用い顕微鏡５に公知のＣＣＤカメラを取り付けた場合、ＣＣＤ素子サイズを６ｍｍ角と仮定すると試料面上での観察視野は低倍（例えば、４倍）の対物レンズ１４では、１．５ｍｍ角程度に相当することとなる。この程度の範囲であれば、マニピュレータ２１を手動で操作し、肉眼で観察しながら上記領域へ操作針２３の針先端を誘導することは比較的簡単に行える。

また、低倍の対物レンズ１４の作動距離は１５．５ｍｍにもおよぶため、操作針２３の針先端が対物レンズ１３に接触してしまうようなこともなく容易にマニピュレータ２１を用いた作業を行うことが可能である。また、低倍の対物レンズ１４の視野内に設置された操作針２３の針先端をＣＣＤの画像処理手段により低倍の対物レンズ１４の焦点深度内へ配置することも可能である。

また、画像コントラスト法による計算値を比較しながら操作針２３を保持するマニピュレータ２１をＰＣ１９に設けられた制御手段を介して移動させることで自動化が可能である。さらに、画像処理により針先端のエッジ部分の線分検出を行うことにより、操作針２３の針先端を視野の中央部に導くことに関しても自動化が可能である。これにより、低倍の対物レンズ１４の視野内において焦点深度内（１２．５μｍ程度）および視野中心の１０％程度の範囲内（φ１５０μｍ内）へ操作針２３の針先端を導くことができる。

この状態で（自動もしくは手動にて）対物レンズを切り替える場合、針先端を保護するため、操作者はマニピュレータ２１を操作して操作針２３を退避位置に退避する（Ｓ３５）。

そして低倍の対物レンズ１４を高倍の対物レンズ１６に切り替えた後、操作者は、ＰＣ１９に指令することでマニュピレータ２１により操作針２３を退避前に登録した座標データ（Ｘ’１，Ｙ’１，Ｚ’１）の位置へセットする。そのセット動作の際に、ＰＣ１９は、低倍の対物レンズ１４と高倍の対物レンズ１６との差分データ（ΔＸ（１）、ΔＹ（１）、ΔＺ（１））を、
ΔＸ（１）＝ΔＹ（１）＝ΔＺ（１）＝０
とすべく、差分データ（ΔＸ（１）、ΔＹ（１）、ΔＺ（１））をマニュピレータ座標系（ΔＸ’（１）、ΔＹ’（１）、ΔＺ’（１））に変換することで、この差分データ（ΔＸ’（１）、ΔＹ’（１）、ΔＺ’（１））が、
ΔＸ’（１）＝ΔＹ’（１）＝ΔＺ’（１）＝０
となるようにマニュピレータ２１を駆動し、操作針２３の針先端を高倍の対物レンズ１６の視野内の所定のセット位置に位置決めする（Ｓ３６）。

また、マニピュレータ２１の自動操作で操作針２３の針先端を視野内のセット位置へ移動させる際に、標本周辺装置への接触が心配される場合は、差分データ（ΔＸ’（１）、ΔＹ’（１）、ΔＺ’（１））を数値表示した不図示のモニタを操作者が観察しながら差分データの表示値が（０、０、０）になるまでマニピュレータ２１を手動操作（例えば、ＰＣ１９のキーボード操作によって）するという方法を用いても良い。

上記の操作により、操作者は「高倍の対物レンズ１６を用いた観察において操作針２３の針先端を観察視野内に配置する」という状態を容易に達成することが可能となる。また、接眼レンズ１５を通した観察もしくはＣＣＤカメラ３５による観察状態において、操作者はより実験に適した位置へ操作針２３の針先端の誘導が可能となる。この状態でＰＣ１９はマニピュレータ２１の座標データ（Ｘｓ、Ｙｓ、Ｚｓ）をＰＣ１９のメモリに登録する（Ｓ３６）。

また、高倍の対物レンズ１６に切替え後は、実験に使用する生細胞を選択し針先端を近づける必要があるため、操作者が設定を解除するまでは、高倍の対物レンズ１６と操作針２３の針先端の相対位置は変化させずに、高倍の対物レンズ１６を上下させた場合に操作針２３も共に移動するように設定する。

これは、操作者が高倍の対物レンズ１６に切替え後、さらに最適な測定対象細胞の探索などを始める場合に有効である。そのような操作の際にも、ＰＣ１９は前述のマニピュレータ２１の登録座標データ（Ｘｓ，Ｙｓ、Ｚｓ）は維持しておき、顕微鏡ＸＹステージ３もしくは対物レンズ１４の上下動によるＺ座標の変化と同調して、マニピュレータ２１の座標を変化させることで標本とマニピュレータ２１との相対座標を検出することができる。

また、操作針２３を交換する場合には、前述の第１実施の形態と同様に、低倍の対物レンズ１４の視野内に操作針２３の針先端を設定し、ＰＣ１９はその時のマニュピレータ２１の座標データを読み込むことで操作針２３を交換前の座標データとの差分データを算出する。この差分データに基づき、ＰＣ１９は低倍の対物レンズ１４から高倍の対物レンズ１６に交換されても、高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置に操作針２３の針先端をマニュピレータ２１により導くことができる（Ｓ３７）。

また、多くの実験では、高倍の対物レンズ１６として水浸式の対物レンズ（例えば、４０倍）を利用しているため、繊細でゆっくりとした試料への接近が必要となったり、標本の周辺には別の操作針等が配置されたり、あるいは操作針への配線等があったりするため、これらを避けながら針先端を標本に位置決めする必要がある。

このような場合、低倍の対物レンズ１４で針先端を検出した後、高倍の対物レンズ１６の視野中内のセット位置に針先端を位置決めする際のマニピュレータ２１の移動軌跡をＰＣ１９に登録しておくことによって、ＰＣ１９は低速で障害物を避けながら操作針２３の針先端を安全に観察位置に位置決めすることが可能となる。

また、低倍の対物レンズ１４または高倍の対物レンズ１６の切替えや観察位置の変更の際に、操作針２３を退避位置に退避させ、再度観察位置に配置する動作が必要となる。この際、「低倍の対物レンズ１４の視野内のセット位置→退避位置→高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置」（退避位置は事前登録しておくものとする）のマニピュレータ２１の動作軌跡を登録しておくことによって、ＰＣ１９は、低倍の対物レンズ１４または高倍の対物レンズ１６の切替えや観察位置の変更の際に、高速に針先端を観察位置にセットすることが可能となる。

これらは、マニピュレータ２１の位置座標と移動速度情報とをＰＣ１９に登録しておき、必要に応じてＰＣ１９から再生することにより、マニピュレータ２１の移動軌跡を再現することが可能となる。

なお、マニピュレータ２１の移動軌跡を再生する際に、より安全性を確保するため移動軌跡のそれぞれの動作を分割し、分割した動作毎に操作者が指定しながらゆっくりと動作を進めてゆくという方法（例えば、コンピュータのキーストロークに対してステップバイステップ）も可能である。

このように、本第２実施の形態では、操作針２３の交換等の際に、低倍の対物レンズ１４を用いて操作針２３の針先端を検出することで、高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置に針先端を容易にセットすることが可能となり、目視による針先端を確認しながら高倍の対物レンズ１６の視野内のセット位置に針先端を合わせる作業が不要となる。

なお、上述の実施の形態は例に過ぎず、上述の構成や形状に限定されるものではなく、本発明の範囲内において適宜修正、変更が可能である。

本発明の第１実施の形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。 第１実施の形態の顕微鏡装置の制御ブロックの模式図である。 第１実施の形態にかかる顕微鏡装置の操作針の位置決め手順を示すフローチャートの内、初期設定作業のフローチャート。 第１実施の形態にかかる顕微鏡装置の操作針の位置決め手順を示すフローチャートの内、操作針交換後の位置決め手順を示すフローチャート。 第１実施の形態にかかる顕微鏡装置の操作針の位置決め手順を示すフローチャートの内、標本位置を変更する際の操作針の位置決め手順を示すフローチャート。 本発明の第２実施の形態に係る顕微鏡装置の概略構成図である。 第２実施の形態の顕微鏡装置の制御ブロックの模式図である。 第２実施の形態にかかる顕微鏡装置の操作針の位置決め手順を示すフローチャート。

符号の説明

１ ステージ
３ 顕微鏡ＸＹステージ
４ 観察位置検出手段
５ 顕微鏡
７ 支柱
９ 標本ステージ
１１ 照明光学系
１３ 対物レンズ
１４ 低倍の対物レンズ
１６ 高倍の対物レンズ
１５ 接眼レンズ
１７ 焦準レバー
１９ ＰＣ
２１ マニピュレータ
２２ マニュピレータ座標検出手段
２３ 操作針
２５、３５ カメラ

Claims (9)

1. 標本を観察する観察光学系を備えた顕微鏡と、
   前記標本に対して刺激を与え、又は前記標本の状態変化を検出するための操作針を制御する制御手段と、
   前記観察光学系の光軸と異なる光軸を有する検出光学系を有する検出手段とを備え、
   前記制御手段は、前記検出光学系の視野内に入れられた前記操作針の第１位置データと、前記観察光学系の視野内に入れられた前記操作針の第２位置データとから、それらの相関データを求め、前記相関データに基づき、前記操作針を制御することを特徴とする顕微鏡装置。
2. 前記検出光学系は、前記観察光学系より低倍率であることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
3. 前記制御手段は、前記操作針を操作するマニュピレータを有し、
   前記第１位置データ及び前記第２位置データは、前記マニュピレータの座標データであることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。
4. 前記操作針が新たな操作針に交換された際に、前記新たな操作針を前記検出手段の前記検出光学系視野内に入れると、前記制御手段は、前記新たな操作針の位置データとして第３位置データを取得し、前記第３位置データ及び前記相関データに基づき、前記新たな操作針を前記顕微鏡の前記観察光学系の前記第２位置に駆動制御できることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の顕微鏡装置。
5. 標本を観察する、倍率の異なる複数の観察光学系を備えた顕微鏡と、
   前記標本に対して刺激を与え、又は前記標本の状態変化を検出するための操作針を制御する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、相対的に低倍率の前記観察光学系の視野内に入られた前記操作針の第１位置データと、他の前記観察光学系の視野内に入れられた前記操作針の第２位置データとから、それらの相関データを求め、前記相関データに基づき、前記操作針を制御することを特徴とする顕微鏡装置。
6. 前記制御手段は、相対的に低倍率の前記観察光学系と他の前記観察光学系との光軸ズレを検出し、ズレデータとして記憶し、前記ズレデータに基づき、前記相関データによる駆動制御を補正することを特徴とする請求項５に記載の顕微鏡装置。
7. 前記制御手段は、前記複数の観察光学系毎に、所定のターゲットに合焦動作をさせることで、前記光軸のズレデータを算出することを特徴とする請求項５または６に記載の顕微鏡装置。
8. 前記制御手段は、前記操作針を操作するマニュピレータを有し、前記ズレデータを前記マニュピレータの座標に変換し、その変換データに基づき、前記操作針を駆動することを特徴とする請求項５または６または７に記載の顕微鏡装置。
9. 前記制御手段は、前記操作針の移動軌跡を記憶し、前記移動軌跡に基づいて前記操作針の移動を制御することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の顕微鏡装置。

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