JP2006267913A - 顕微鏡装置の位置制御方法および顕微鏡装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲を超えて連続的に制御可能な位置制御方法を提供する。
【解決手段】まず、範囲Ｒ１４において駆動装置による送り量に対する観察試料と対物レンズの相対位置の実際の変位量の関係を示す直線Ｌ１１を得る。次に、得られた範囲Ｒ１４における送り量に対する実際の変位量の関係を示す直線Ｌ１１に基づいて、範囲Ｒ１３における送り量に対する変位量の関係を示す直線Ｌ１２を算出する。これにより、駆動装置による移動可能範囲Ｒ１１の全体にわたり、単一の座標系による送り量に対する変位量の関係が得られる。このようにして得られる単一の座標系による送り量に対する変位量の関係に従って駆動装置を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、顕微鏡装置の位置制御方法に関する。

一般に、顕微鏡装置を使用した試料観察は、ステージに載置された観察試料に対して対物レンズを接近させ、試料内の観察要部を拡大して行なわれる。試料内の観察要部の位置は、対物レンズとステージの各制御軸に対して設けられた駆動装置と位置検出装置により制御される。このため、制御軸上の位置制御範囲は、駆動装置による移動可能範囲と位置検出装置による位置検出可能範囲とが重なった範囲内に制限される。

一方、対物レンズの倍率が高くなると観察範囲も微小になるため、観察位置の制御は、より高い分解能が必要になる。しかし、位置検出装置の分解能が高くなる程、検出精度が確保された位置検出可能範囲は小さくなる場合が多い。この場合には、位置制御範囲も小さくなる。

駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲を超えて位置制御するためには、位置検出装置によって設定される制御座標系とは別の制御座標系を設定し、範囲に応じて制御座標系を切り換えて制御することになる。このため、位置検出可能範囲の境界において制御を切り換えなければならず、連続的な位置制御が難しい。

本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲を超えて連続的に制御可能な位置制御方法を提供することである。

本発明は、顕微鏡装置における観察位置の制御方法に向けられている。顕微鏡装置は、観察試料と対物レンズを相対的に移動させる駆動装置と、観察試料と対物レンズの相対位置を検出する位置検出装置とを有し、位置検出装置は、駆動装置による移動可能範囲の一部分において相対位置を検出可能である。本発明の位置制御方法は、位置検出装置によって位置検出可能範囲に設定された制御座標系を位置検出不能範囲にまで拡張し、単一の座標系として扱うことにより、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲を超えて観察試料と対物レンズの相対位置を連続的に制御する。

本発明によれば、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲を超えて連続的に制御可能な位置制御方法が提供される。

本発明の実施形態の説明に先立ち、まず後述する実施形態が適用される顕微鏡装置について概略的に説明する。図１は、本発明の実施形態が適用される顕微鏡装置を示している。図１に示される顕微鏡装置は倒立顕微鏡であるが、本発明の適用先は倒立顕微鏡に限定されるものではない。本発明は正立顕微鏡に適用されても一向に構わない。

図１に示されるように、倒立顕微鏡は、観察試料１２が載置される試料台１１と、試料台１１の下方に配置される対物レンズ1３とを有している。試料台１１は光学的な開口を有しており、この光学的な開口は対物レンズ1３がそれを介して観察試料１２からの光を収集するのを可能にする。

倒立顕微鏡は、観察試料１２と対物レンズ１３を相対的に移動させる駆動手段と、観察試料１２と対物レンズ１３の相対移動を検出する位置検出手段とを備えている。例えば、駆動手段は、観察試料１２と対物レンズ１３を第一の制御軸Ａ１に沿って相対的に移動させる第一の駆動装置と、観察試料１２と対物レンズ１３を第二の制御軸Ａ２に沿って相対的に移動させる第二の駆動装置と、観察試料１２と対物レンズ１３を第三の制御軸Ａ３に沿って相対的に移動させる第三の駆動装置とを有している。また位置検出手段は、制御軸Ａ１に沿った観察試料１２と対物レンズ１３の相対位置を検出する第一の位置検出装置と、制御軸Ａ２に沿った観察試料１２と対物レンズ１３の相対位置を検出する第二の位置検出装置と、制御軸Ａ３に沿った観察試料１２と対物レンズ１３の相対位置を検出する第三の位置検出装置を有している。

これらの駆動装置によってそれぞれ対応する制御軸に沿って一方向またはその反対方向に観察試料１２と対物レンズ１３が互いに相対的に移動され、その移動可能範囲は、例えばハードウェアリミットなどで両方向に対して制限されている。

観察試料１２内の観察位置を対物レンズ１３の光軸に平行な方向に（すなわち制御軸Ａ１に沿って）制御する場合は、例えば対物レンズ１３を制御軸Ａ１に沿って移動させて対物レンズ１３の位置を制御することにより観察位置を制御する。また、観察試料１２内の観察位置を対物レンズ１３の光軸に垂直な方向に（すなわち制御軸Ａ２と制御軸Ａ３に沿って）制御する場合は、例えば観察試料１２を制御軸Ａ２と制御軸Ａ３に沿って移動させて観察試料１２の位置を制御することにより観察位置を制御する。

図２は、倒立顕微鏡のさらに具体的な構成を示している。図２において、倒立顕微鏡１０は、観察試料１２が載置される試料台１１と、試料台１１の下方に配置される対物レンズ1３と、対物レンズ1３を保持するレボルバー１４と、対物レンズ1３に取り込まれた光を結像する結像レンズ１５と、結像レンズ１５からの光を折り返すミラー１６と、結像された像を目視観察するための接眼レンズ１７とを有している。

レボルバー１４は上下に移動可能であり、倒立顕微鏡１０は、レボルバー１４を上下に移動させるモーター２１と、モーター２１を制御するコントローラー２３と、準焦ハンドル２２とを有している。準焦ハンドル２２は、その回転方向を反映した信号をコントローラー２３に出力し、コントローラー２３は、入力される信号に従ってモーター２１を制御する。これにより対物レンズ1３は観察試料１２に対して相対的に光軸に沿って上下に移動される。また倒立顕微鏡１０は、対物レンズ1３の位置を検出する位置検出器３１を有している。位置検出器３１は、試料台１１に取り付けられた静電容量センサー３２と、対物レンズ1３の先端部に取り付けられた導電性のセンサーターゲット３３とを有している。

試料台１１は例えばＸＹステージで構成される。ＸＹステージは、互いに直交する二本の軸（Ｘ軸とＹ軸）に沿ってそれぞれ移動可能な二枚の移動テーブル（ＸテーブルとＹテーブル）を有し、例えばＸテーブルをＸ軸に沿って移動させるＸ駆動機構と、ＹテーブルをＸテーブルと共にＹ軸に沿って移動させるＹ駆動機構とを有している。Ｘ駆動機構とＹ駆動機構は、これに限らないが、例えばパルスモーターで駆動される。またＸＹステージは、Ｘテーブルの位置を検出するＸ位置検出器と、Ｙテーブルの位置を検出するＹ位置検出器とを有している。Ｘ位置検出器とＹ位置検出器は、これに限らないが、例えばリニアエンコーダーで構成される。

図２の倒立顕微鏡１０では、モーター２１と準焦ハンドル２２とコントローラー２３が前述した第一の駆動装置を構成し、位置検出器３１が第一の位置検出装置を構成している。また、ＸＹステージ内のＸ駆動機構とＹ駆動機構がそれぞれ第二の駆動装置と第三の駆動装置を構成し、Ｘ位置検出器とＹ位置検出器がそれぞれ第二の位置検出装置と第三の位置検出装置を構成している。

続く本実施形態では、図１の制御軸Ａ１と制御軸Ａ２と制御軸Ａ３のいずれか一本の制御軸（代表的にＡで表わす）に沿った位置制御について述べるが、その位置制御方法は、ほかの二本の制御軸に対してもそのまま適用可能である。

第一実施形態
本実施形態は、一本の制御軸Ａに関して一つの位置検出装置を有する顕微鏡装置の位置制御方法である。図３は、本発明の第一実施形態による位置制御方法を模式的に示している。

図３は、駆動装置による移動可能範囲Ｒ１１と、位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ１２とを示している。移動可能範囲Ｒ１１と位置検出可能範囲Ｒ１２は制御軸Ａに沿って互いにずれており、位置検出装置は移動可能範囲Ｒ１１の一部分において位置検出可能である。範囲Ｒ１４は移動可能範囲Ｒ１１と位置検出可能範囲Ｒ１２の両方に含まれるので、範囲Ｒ１４では位置検出装置によって得られる位置情報に基づいて位置制御できる。範囲Ｒ１５は移動可能範囲Ｒ１１に含まれないので、位置制御の対象外である。範囲Ｒ１３は移動可能範囲Ｒ１１に含まれるが位置検出可能範囲Ｒ１２に含まれないので、範囲Ｒ１３では位置情報を得ることができない。

本実施形態では、次のようにして顕微鏡装置を制御する。

まず、範囲Ｒ１４において駆動装置による送り量に対する観察試料と対物レンズの相対位置の実際の変位量の関係を示す直線Ｌ１１を得る。ここで、例えば、駆動装置はパルスモーターであり、送り量はパルスモーターを駆動するパルス数である。

次に、得られた範囲Ｒ１４における送り量に対する実際の変位量の関係を示す直線Ｌ１１に基づいて、範囲Ｒ１３における送り量に対する変位量の関係を示す直線Ｌ１２を算出する。これにより、駆動装置による移動可能範囲Ｒ１１の全体にわたり、単一の座標系による送り量に対する変位量の関係が得られる。

このようにして得られる単一の座標系による送り量に対する変位量の関係に従って駆動装置を制御する。その結果、駆動装置による移動可能範囲Ｒ１１の全体にわたって、観察位置（すなわち観察試料１２と対物レンズ１３の相対位置）を連続的に制御できる。

第二実施形態
本実施形態は、一本の制御軸Ａに関して二つの位置検出装置を有する顕微鏡装置の位置制御方法である。図４は、本発明の第二実施形態による位置制御方法を模式的に示している。

図４は、第一の位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ２１と、第二の位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ２２と、駆動装置による移動可能範囲Ｒ２３とを示している。第一の位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ２１と第二の位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ２２は互いに隣接しており、両者は共に駆動装置による移動可能範囲Ｒ２３内に含まれている。

本実施形態では、次のようにして顕微鏡装置を制御する。

まず、位置検出可能範囲Ｒ２１において駆動装置による送り量に対する観察試料と対物レンズの相対位置の実際の変位量の関係を示す直線Ｌ２１を得る。また、位置検出可能範囲Ｒ２２において駆動装置による送り量に対する観察試料と対物レンズの相対位置の実際の変位量の関係を示す直線Ｌ２２を得る。

次に、得られた位置検出可能範囲Ｒ２２における送り量に対する実際の変位量の関係を示す直線Ｌ２２に対して適切なオフセットを設定する。オフセットは、オフセットされた直線Ｌ２３が直線Ｌ２１に連続するように設定する。これにより、駆動装置による移動可能範囲Ｒ２３の全体にわたり、単一の座標系による送り量に対する変位量の関係が得られる。

このようにして得られる単一の座標系による送り量に対する変位量の関係に従って駆動装置を制御する。その結果、駆動装置による移動可能範囲Ｒ２３の全体にわたって、観察位置（すなわち観察試料１２と対物レンズ１３の相対位置）を連続的に制御できる。

第三実施形態
本実施形態は、一本の制御軸Ａに関してＮ個の位置検出装置を有する顕微鏡装置の位置制御方法である。図５は、本発明の第三実施形態による位置制御方法を示している。

図５は、駆動装置による移動可能範囲Ｒ３１と、Ｎ個の位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ３２と、位置検出不能範囲Ｒ３３とを示している。Ｎ個の位置検出装置による位置検出可能範囲Ｒ３２は互いに離れており、それらはすべて駆動装置による移動可能範囲Ｒ３１内に含まれている。このため、移動可能範囲Ｒ３１には、Ｎ＋１個の位置検出不能範囲Ｒ３３がある。

本実施形態では、次のようにして顕微鏡装置を制御する。

まず、Ｎ個の位置検出可能範囲Ｒ３２において駆動装置による送り量に対する観察試料と対物レンズの相対位置の実際の変位量の関係を示す直線Ｌ３１を得る。

次に、Ｎ個の位置検出可能範囲Ｒ３２における送り量に対する実際の変位量の関係を示す直線Ｌ３１のそれぞれに対して適切なオフセットを設定する。より詳しくは、一本の直線Ｌ３１を基準にして（そのオフセットを０として）、残りのＮ−１本の直線Ｌ３１に対して適切なオフセットを設定する。オフセットは、オフセットされたＮ本の直線Ｌ３２が一直線上に乗るように設定する。

さらに、Ｎ本の直線Ｌ３１に基づいて、位置検出不能範囲Ｒ３３における送り量に対する変位量の関係を示すＮ＋１本の直線Ｌ３３を算出する。各位置検出不能範囲Ｒ３３の直線Ｌ３３は、例えば、それに隣接する一個の位置検出可能範囲Ｒ３２の直線Ｌ３２に基づいて算出する。もちろん、隣接する二個の位置検出可能範囲Ｒ３２の直線Ｌ３２に基づいて算出してもよい。これにより、駆動装置による移動可能範囲Ｒ３１の全体にわたり、単一の座標系による送り量に対する変位量の関係が得られる。

このようにして得られる単一の座標系による送り量に対する変位量の関係に従って駆動装置を制御する。その結果、駆動装置による移動可能範囲Ｒ３１の全体にわたって、観察位置（すなわち観察試料１２と対物レンズ１３の相対位置）を連続的に制御できる。

これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。

上述した実施形態では、駆動装置による移動可能範囲の全体にわたって観察位置を連続的に制御しているが、その制御範囲は必ずしも移動可能範囲の全体である必要はなく、駆動装置による移動可能範囲の所望の一部分であってもよい。

駆動装置の送り量と、観察試料（ステージ）と対物レンズの相対位置の変位量の関係を求める作業は、観察に先立って済ませておき、その結果をメモリーなどの記録媒体に記録しておいてもよい。このようにすれば、位置検出可能範囲外に位置する試料に対しても、直ちに（新たに上記関係を求めることなく）、各実施形態のステージの位置制御を適用できる。また、上記関係の記録媒体への記録作業は、必ずしも、ユーザーサイドで行なう必要はなく、例えば顕微鏡装置の生産時点で実行してもよい。

また、駆動装置による送り量（ステージ）に対する観察試料と対物レンズの相対位置の変位量の関係は、図３と図４と図５に示したような線形的関係に限定されるものではない。駆動装置による送り量（ステージ）に対する観察試料と対物レンズの相対位置の変位量の関係を、例えば、多項式関数、対数・指数関数のような非線形関係として適用してもよい。

本発明の実施形態が適用される顕微鏡装置を示している。 図１の倒立顕微鏡のさらに具体的な構成を示している。 本発明の第一実施形態による位置制御方法を模式的に示している。 本発明の第二実施形態による位置制御方法を模式的に示している。 本発明の第三実施形態による位置制御方法を模式的に示している。

符号の説明

１０…倒立顕微鏡、１１…試料台、１２…観察試料、１３…対物レンズ、１４…レボルバー、１５…結像レンズ、１６…ミラー、１７…接眼レンズ、２１…モーター、２２…準焦ハンドル、２３…コントローラー、３１…位置検出器、３２…静電容量センサー、３３…センサーターゲット、Ａ１…制御軸、Ａ２…制御軸、Ａ３…制御軸、Ｌ１１…直線、Ｌ１２…直線、Ｌ２１…直線、Ｌ２２…直線、Ｌ２３…直線、Ｌ３１…直線、Ｌ３２…直線、Ｌ３３…直線、Ｒ１１…移動可能範囲、Ｒ１２…位置検出可能範囲、Ｒ１３…範囲、Ｒ１４…範囲、Ｒ１５…範囲、Ｒ２１…位置検出可能範囲、Ｒ２２…位置検出可能範囲、Ｒ２３…移動可能範囲、Ｒ３１…移動可能範囲、Ｒ３２…位置検出可能範囲、Ｒ３３…位置検出不能範囲。

Claims (9)

1. 観察試料を光学的に観察する顕微鏡装置の位置制御方法であり、顕微鏡装置は、観察試料と対物レンズを相対的に移動させる駆動装置と、観察試料と対物レンズの相対位置を検出する位置検出装置とを有し、位置検出装置は、駆動装置による移動可能範囲の一部分において相対位置を検出可能であり、位置制御方法は、位置検出装置によって位置検出可能範囲に設定された制御座標系を位置検出不能範囲にまで拡張し、単一の座標系として扱うことにより、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲を超えて観察試料と対物レンズの相対位置を連続的に制御する、顕微鏡装置の位置制御方法。
2. 請求項１において、位置検出装置による位置検出可能範囲で得られる駆動装置による送り量に対する観察試料と対物レンズの相対位置の実際の変位量の関係に基づいて、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出装置による位置検出可能範囲より広い範囲にわたる単一の座標系による送り量に対する変位量の関係を算出し、算出した単一の座標系による送り量に対する変位量の関係に従って観察試料と対物レンズの相対位置を連続的に制御する、顕微鏡装置の位置制御方法。
3. 請求項２において、駆動装置による移動可能範囲全体にわたり単一の座標系による送り量に対する変位量の関係に従って駆動装置を制御する、顕微鏡装置の位置制御方法。
4. 請求項２において、位置検出可能範囲で得られる送り量に対する実際の変位量の関係から、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出不能範囲における送り量に対する変位量の関係を算出する、顕微鏡装置の位置制御方法。
5. 顕微鏡装置が別の位置検出装置をさらに有し、二つの位置検出装置による位置検出可能範囲は隣接しており、一方の位置検出装置の位置検出可能範囲で得られる送り量に対する実際の変位量の関係にオフセットを設定して、単一の座標系による送り量に対する変位量の関係を算出する、顕微鏡装置の位置制御方法。
6. 請求項２において、顕微鏡装置は複数の位置検出装置を有し、複数の位置検出装置による位置検出可能範囲は互いに離れており、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出可能範囲については、位置検出可能範囲で得られる送り量に対する実際の変位量の関係のそれぞれに対して適切なオフセットを設定し、駆動装置による移動可能範囲内で位置検出不能範囲については、位置検出可能範囲で得られる送り量に対する実際の変位量の関係から送り量に対する変位量の関係を算出することにより、単一の座標系による送り量に対する変位量の関係を算出する、顕微鏡装置の位置制御方法。
7. 請求項２において、駆動装置がパルスモーターを含んでおり、駆動装置による送り量がパルスモーターのパルス数である、顕微鏡装置の位置制御方法。
8. ステージの位置を検出する位置検出装置と、上記ステージを移動させる駆動装置を有する顕微鏡装置において、上記ステージの位置を制御する方法であり、
   上記ステージが、上記位置検出装置による位置検出可能範囲を外れる場合には、少なくとも上記駆動装置の送り量に対する上記ステージの変位量の関係を用いて、上記駆動装置による上記ステージの移動時に上記ステージの位置制御を行なうことを特徴とする顕微鏡装置の位置制御方法。
9. ステージと、
   上記ステージの位置を検出する位置検出装置と、
   上記ステージを移動させる駆動装置と、
   上記ステージが、上記位置検出装置による位置検出可能範囲を外れる場合には、少なくとも上記駆動装置の送り量に対する上記ステージの変位量の関係を用いて、上記駆動装置による上記ステージの移動時に上記ステージの位置制御を行なうコントローラーと
   を有することを特徴とする顕微鏡装置。

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