JP4635492B2

JP4635492B2 - 顕微鏡装置

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Publication number: JP4635492B2
Application number: JP2004200831A
Authority: JP
Inventors: 幹夫大崎
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-07-07
Filing date: 2004-07-07
Publication date: 2011-02-23
Anticipated expiration: 2024-07-07
Also published as: JP2006023487A

Description

本発明は、顕微鏡の被観察物体に対して微細な操作を行うための電気制御可能なマニピュレータを備えた顕微鏡装置に関する。

従来、倒立顕微鏡に油圧制御可能なマニュピレータを具備し、このマニピュレータを用いて顕微鏡のステージに載置された標本に操作針の針先を突き刺し、所謂プリッキングを行うマニピュレータ付き倒立型顕微鏡が知られている。このマニピュレータ付き倒立型顕微鏡では、ステージに配設された標本に４Ｘ〜１０Ｘの対物レンズを用いて焦点を合わせた後、顕微鏡の微動焦準ハンドルにマニピュレータを駆動する第１油圧操作部を連結し、更に標本の上方に設けられたニードルホルダに操作針（ガラス針）を取り付け、ニードルホルダの操作部及びマニピュレータを操作する第２油圧操作部を操作して対物レンズの焦点位置近傍に操作針の針先をセットする。その後は微動焦準ハンドルを回動することによって対物レンズの上下動とマニピュレータの上下動とが連動し標本の目的場所にプリッキングしている（例えば、特許文献１参照。）。
特公平７−６０２２０号公報

しかし、特許文献１の開示例では、高倍の対物レンズ（例えば４０倍）を用いて標本に合焦した後、第１油圧操作部を微動焦準ハンドルに取り付ける時や操作針をニードルホルダに取り付けする時の振動等によって標本がずれたり対物レンズの焦点がずれたりする。その為に対物レンズの焦点位置の再調節が必要となるが、第１油圧操作部が微動焦準ハンドルに取り付けられた後では、対物レンズのみの焦点調節が行えないと言う問題がある。また、上記開示例は、標本の上方（透過照明装置が設けられている側）に空間的な余裕が取れる倒立型顕微鏡には適用できるものの、標本の上方に対物レンズを配置する正立型顕微鏡では、標本と対物レンズ先端との空間が狭いため操作針の交換等が困難であるという問題がある。

本発明は、上記問題に鑑みて行われたものであり、操作針の針先を標本の目標位置近傍に容易にセットすることが可能な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、対物レンズと、前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動手段と、前記対物レンズのＺ軸方向の位置情報を検出する位置検出手段と、標本に微細な操作を行うための操作針を有する電気制御可能なマニピュレータと、前記マニピュレータの操作針を駆動制御するマニピュレータ駆動手段と、前記対物レンズ駆動手段と前記マニピュレータ駆動手段とを連動／非連動させる電気的な切換手段と、前記切換手段により前記両者を連動させた時には、前記位置検出手段の検出情報に基づいて、前記マニピュレータ駆動手段を制御して前記マニピュレータの操作針を駆動する制御手段と、前記切換手段により前記両者を非連動させた時には、前記マニピュレータ駆動手段を制御して前記マニピュレータの操作針を駆動するマニピュレータ操作部と、前記位置検出手段により検出された前記対物レンズの前記位置情報を表示する表示手段と、前記表示手段の前記位置情報をリセットするリセット手段とを備え、前記制御手段は、前記対物レンズの移動に連動させて前記マニピュレータの操作針を移動制御する際に、前記対物レンズの位置情報が前記リセット手段でリセットされた値と前もって与えられたオフセット値との差の値に成ったことを検出すると、前記対物レンズ駆動手段と前記マニピュレータ駆動手段とを停止させ、連動を解除することを特徴とする顕微鏡装置を提供する。

また、本発明にかかる顕微鏡装置は、前記マニピュレータが複数配置され、それぞれに対応する前記切換手段を有し、前記切換手段が連動にセットされた前記マニピュレータの上下動が前記対物レンズの上下動と連動可能であることが好ましい。

本発明によれば、操作針の針先を標本の目標位置近傍に容易にセットすることが可能な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、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の概略構成図を示す。図２は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の制御ブロック図を示す。図３は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の動作状態を説明する図である。図４は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の第１変形例を示す制御ブロック図である。図５は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の第２変形例を示す制御ブロック図である。図６は、本発明にかかる顕微鏡装置において、操作針の針先を標本にセットする際の動作フローを示す。

（実施の形態）
図１から図３及び図６において、顕微鏡５は、テーブル１に配置されたＸＹ方向駆動用のＸＹ駆動装置１Ａ上に載置されている。固定ステージ９は、テーブル1に固定され、標本３の入ったディッシュ、及びマニピュレータ２１が載置されている。標本３は顕微鏡５の照明光学系を介して光源１１からの照明光で照明され、対物レンズ１３で標本３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３の観察位置（Ｘ，Ｙ位置）の変更はＸＹ駆動装置１Ａを用いて顕微鏡５をＸＹ方向に移動し、標本３に対して対物レンズ１３をＸＹ方向に移動させて行う。対物レンズ１３の焦点位置のステージ９からの距離情報は、焦準レバー１７による対物鏡筒１６の上下動をステージ９に配設された位置検出器４で検出し（図６のステップＳ１）、その検出された位置情報を表示用コントローラ７に表示（図６のステップＳ２）すると共に、対物レンズ１３の上下動と電動制御可能なマニピュレータ２１（以後、マニピュレータと記す）の上下動を連動させる連動コントローラ６に入力する。なお、対物レンズ１３の位置を表示する必要が無い場合には破線で示すように位置検出器４からの信号を直接連動コントローラ６に入力しても良い。

ステージ９上に配設されたマニュピレータ２１には操作針２３が固定されている。マニュピレータ２１は、マニュピレータ駆動装置２７を介してマニピュレータ操作部２５からのＸＹＺ及びθ方向の駆動信号によりＸＹＺ及びθ方向の移動が制御されると共に、マニピュレータ２１のＸＹＺ及びθ方向の位置情報が間にマニピュレータ２１に配置されたＸＹＺ及びθ位置検出器２１Ａにより検出され、マニピュレータ２１の位置制御に用いられる（図６のステップＳ３）。なお、マニュピレータ２１は、マニピュレータ操作部２５からの駆動信号だけでなく、マニピュレータ駆動装置２７に付属の不図示の外部インターフェース入力部への信号入力からも制御可能である。

位置検出器４で検出された対物レンズ１３の光軸方向（Ｚ軸方向）の移動量に関する情報は連動コントローラ６からマニピュレータ駆動装置２７に伝達される（図６のステップＳ１）。マニピュレータ駆動装置２７はマニピュレータ２１の光軸方向の移動量が対物レンズ１３の光軸方向の移動量に同期するように制御し、対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動を連動させる（図６のステップＳ７）。

連動コントローラ６には、対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動の連動を設定したり解除したりする際に用いる連動ＯＮ／ＯＦＦスイッチ２９（以後、連動スイッチと記す）が配置されている。この連動スイッチ２９は、ＯＮにすると対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動を連動し（図６のステップＳ５〜Ｓ７）、ＯＦＦにすると連動が解除され焦準ハンドル１７で対物レンズ１３のみを移動させることが可能となり、またマニピュレータ操作部２５を操作してマニピュレータ２１をＸＹＺ及びθ方向に自在に操作することが可能になる（図６のステップＳ８）。このようにして顕微鏡装置１００が構成されている。

次に、本実施の形態にかかる顕微鏡装置１００の動作について図３を参照しつつ説明する。

顕微鏡装置１００の不図示の電源スイッチをＯＮにした時、表示用コントローラ７の表示が初期値（例えば、オールゼロ）にリセットされる。ステージ９に標本３を載置し、マニピュレータ２１に操作針２３をセットする。顕微鏡装置１００の初期状態では、対物レンズ１３の移動やマニピュレータ２１の移動を自在に行うために連動スイッチ７はＯＦＦ（非連動）に設定されている（図６のステップＳ４、Ｓ８）。

図３（ａ）に示すように、観察者は接眼レンズ１５で視野３０を観察しながら顕微鏡５の焦準ハンドル１７を回動し、対物レンズ１３を培養液中の標本３に合焦し、ＸＹ駆動装置１Ａを駆動して標本３中の目標位置Ａを視野３０のほぼ中心付近にセットする。この際、十字マーク入りの接眼レンズ１５を用いることによって、観察者が目標位置Ａを視野３０の中心にセットしやすくなる。続いて、図３（ｂ）に示すように、操作針２３の針先を対物レンズ１３の焦点位置に配置するために、対物レンズ１３を標本３から遠ざかる方向（上方）に対物レンズ１３を退避させる（数ｍｍ程度）（図６のステップＳ１，Ｓ２）。

次に、観察者は、マニピュレータ操作部２５を操作して操作針２３の針先を目視や接眼レンズ１５で観察しながら図３（ｃ）に示すように、対物レンズ１３の焦点位置にセットする（図６のステップＳ３）。この際も、十字マーク入りの接眼レンズ１５を用いることによって、観察者が操作針２３の針先を視野３０の中心にセットしやすくなる。操作針２３の針先を対物レンズ１３の焦点位置にセットした状態で連動スイッチ２９をＯＮ（連動状態）にする（図６のステップＳ４）。

連動スイッチ２９をＯＮにした後、図３（ｄ）に示すように、観察者は顕微鏡５の焦準ハンドル１７を回動して、標本３の目標位置Ａが視野３０内にぼんやりと見える位置（例えば、十ミクロン程度の離れた位置）まで徐々に対物レンズ１３を標本３に接近させる。この際、対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動が連動しているため、観察者は対物レンズ１３の視野３０内で操作針２３の針先を観察しながら標本３の目標位置Ａの近傍まで対物レンズ１３と操作針２３の針先を移動することができる（図６のステップＳ５〜Ｓ７）。対物レンズ１３と操作針２３の針先は両者が同期して移動するため、対物レンズ１３の焦点位置が針先からずれることは無い。よって、視野３０内に標本３の目標位置Ａがぼんやり観察できる状態において、操作針２３の針先は標本３の目標位置Ａの近傍にセットされた状態となる。

次に、観察者は連動スイッチ２９をＯＦＦ（非連動）に切換え（図６のステップＳ４）対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動の連動を解除し両者を独立して操作できるようにする（図６のステップＳ８）。その後、図３(ｅ)に示すように、観察者は焦準ハンドル１７を回動して対物レンズ１３を標本３の目標位置Ａに合焦した後、マニピュレータ操作部２５を操作して操作針２３（例えば、電気針）の針先を微調して標本３の目標位置Ａに突き刺す。

具体的には、視野３０内で標本３の目標位置Ａがぼんやり見えている状態から目標位置Ａに対物レンズ１３を合焦させる場合、対物レンズ１３の光軸方向の移動量は僅かであり、対物レンズ１３の先端が操作針２３の針先に衝突して針先を破損することは無い。また、操作針２３の針先が標本３を損傷することも無い。この様にして、図３（ｆ）に示すような標本３の目標位置Ａに操作針２３の針先のセットが完了し、電気整理実験を行うことが可能となる。

上述の様に、本実施の形態にかかる顕微鏡装置１００では、操作針２３の針先を標本３の目標位置Ａにセットする際、予め目標位置Ａに合焦した対物レンズ１３を標本３の上方に退避して対物レンズ１３の焦点位置に操作針２３の針先をセットし、対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動を連動して標本３の近傍まで両者を移動することができるため、標本３の目標位置Ａに操作針２３の針先のセットが安全容易に、かつ素早く実行することができ、電気生理実験の能率向上を図ることができる。

また、対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動の連動／非連動の選択が、電気的な連動スイッチ２９の切換で設定できるため、セッティング中に操作針２３の針先位置がずれてしまう事や対物レンズ１３の焦点位置がずれてしまうことを防止できる。

なお、顕微鏡５の焦準操作が電動で行える場合、位置検出器４の替わりに焦準ハンドル１７に配置されているエンコーダ出力を用いて対物レンズ１３の光軸方向の位置検出を行うようにし、この出力を連動コントローラ６に入力する構成にすることで同様の効果を奏することができる。

また、表示コントローラ７にリセットボタンを設け、図３（ａ）に示すように標本３の目標位置Ａに対物レンズ１３を合焦した時に表示コントローラ７の表示をリセットし（例えば、オールゼロ表示にする）、図３（ｂ）に示すように対物レンズ１３を退避した時の光軸方向の距離を表示コントローラ７に数値表示し、図３（ｄ）に示す対物レンズ１３とマニピュレータ２１の連動移動時、両者の移動距離の参考にするようにしても良い。この方式では、対物レンズ１３とマニピュレータ２１を連動させて標本３近傍に移動させる時、表示コントローラ７の数値表示がゼロになる前（例えば、１０〜２０ミクロン手前）で移動を止めることで対物レンズ１３の焦点位置と操作針２３の針先を標本３の近傍にセットすることが可能となる。

また、本願の変形例として、表示用コントローラ７にリセットボタンを設け、図３（ａ）に示すように標本３の目標位置Ａに対物レンズ１３を合焦した時の表示用コントローラ７の表示をリセットし（例えば、オールゼロ表示にする）、連動コントローラ６に対物レンズ１３とマニピュレータ２１を連動して移動させる際のストップ位置（標本３の近傍）をオフセット情報として前もって与えておき、連動動作によって顕微鏡標本位置近傍（ゼロ位置−オフセット位置）に移動した時に自動的に連動スイッチ２９をＯＦＦにセットしても良い（図６ステップＳ９参照）。

なお、表示用コントローラ７のリセットボタンを設ける代わりに、自動合焦検出装置の合焦情報に基づいて表示用コントローラ７の表示をリセットしても良い。

この様にすることで、観察者が視野３０を見つづける必要が無く、観察者の作業疲労を軽減することができる。

また、電動制御可能な顕微鏡に表示コントローラ７の出力を入力し、対物レンズ１３とマニピュレータ２１を連動して移動させる際のストップ位置（標本３の目標位置Ａの近傍）をオフセット情報として前もって与えておくことで、連動スイッチ２９をＯＮした際に自動でストップ位置まで対物レンズ１３と操作針２３の針先を移動させ、連動を解除して対物レンズ１３とマニピュレータ２１を独立して操作可能にするために連動スイッチ２９をＯＦＦにセットする自動制御を行っても良い。

（第１変形例）
図４は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の第１変形例を示す制御ブロック図である。図４において、図２に示す連動コントローラ６をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）３６に置き換え、ＰＣ３６に連動コントローラ６と同様の制御動作をさせるようにしたものである。その他の構成は前述の実施の形態と同様であり同じ符号を付し説明を省略する。

本第１変形例では、ＰＣ３６の不図示のモニター上でマニピュレータ２１の連動／非連動を選択するスイッチ機能が設定され、対物レンズ１３の上下動とマニピュレータ２１の上下動の連動が選択されたときは、ＰＣ３６が位置検出器４からの信号を受信してマニピュレータ駆動装置２７に駆動信号を出力し、対物レンズ１３の移動に同期してマニピュレータ２１を駆動するように制御する。

連動制御にＰＣ３６を用いることによって、対物レンズ１３とマニピュレータ２１の連動の仕方、連動動作時のスタート／ストップ制御、あるいはオフセット位置の設定などの各種動作を容易に選択、変更することが可能となり、電気生理実験の効率化を図ることができる。

また、ＰＣ３６を用いることにより、表示コントローラ７または位置検出器４、あるいはマニピュレータ駆動装置２７などとの信号の送受信は、それぞれにＵＳＢやＬＡＮ等のインターフェースを設けることによってＰＣ３６との親和性をより高めることができる。この様に、一般的なインターフェースを用いることによって、他の制御装置との互換性を高めることも可能となる。

（第２変形例）
図５は、本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の第２変形例を示す制御ブロック図である。第２変形例は、複数の電動制御可能なマニピュレータ（２７−１・・・２７−Ｎ）を配置した顕微鏡装置を示している。前述の実施の形態と同様の構成には同じ符号を付し説明を省略する。

図５において、連動コントローラ４６には、複数のマニピュレータ（２１−１〜２１−Ｎ）の上下動と対物レンズ１３の上下動の連動／非連動をそれぞれ選択するための連動スイッチ（２９−１〜２９−Ｎ）が設けられている。また、複数のマニピュレータ（２１−１〜２１−Ｎ）のそれぞれに対応してマニピュレータ操作部（２５−１〜２５−Ｎ）とマニピュレータ駆動装置（２７−１〜２７−Ｎ）が設けられ、それぞれのマニピュレータ（２１−１〜２１−Ｎ）を独立に操作することができる。なお、マニピュレータ操作部とマニピュレータ駆動装置を複数設けることなく、複数のマニピュレータ中からそれぞれのマニピュレータを選択する選択スイッチを設け、それぞれのマニピュレータを適宜選択して操作する構成にしても良い。

この様に構成することで、本第２変形例にかかる顕微鏡装置は、前述の実施の形態と同様に、標本３から退避した対物レンズ１３の焦点位置に選択されたマニピュレータに固定されている操作針の針先をそれぞれセットした後、選択されたマニピュレータに対応する連動スイッチをＯＮにして、対物レンズ１３の上下動と選択されたマニピュレータの上下動を連動させて、標本３の目標位置Ａの近傍まで移動する事が可能になる。その後、連動スイッチをＯＦＦにして連動を解除し、対物レンズ１３を目標位置Ａに合焦した後、マニピュレータをそれぞれ操作して、標本３のそれぞれの目標位置に操作針２３の針先をそれぞれセットすることができる。

なお、第１変形例と同様に、ＰＣ３６を連動コントローラ４６の替わりに用いても同様の効果を奏する。

また、上述の実施の形態の動作説明（図３参照）において、操作針２３の針先を対物レンズ１３の焦点位置に設定する作業は培養液中を想定して説明したが、対物レンズ１３の退避距離を大きくした場合、対物レンズ１３の焦点位置が空気中に位置することになる。この際、対物レンズ１３と操作針２３の針先を移動して培養液中に入れたとき、培養液中と空気中とでは屈折率の関係で焦点位置が異なる。このため屈折率を考慮して焦点位置を補正して連動制御を行うようにするスイッチを設けることが望ましい。これにより、空気中の場合と培養液中の場合に応じてマニピュレータの駆動量やオフセット量などを切換えて用いることが可能となる。

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実施の形態にかかる顕微鏡装置の概略構成図を示す。本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の制御ブロック図を示す。本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の動作状態を説明する図である。本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の第１変形例を示す制御ブロック図である。本発明の実施の形態にかかる顕微鏡装置の第２変形例を示す制御ブロック図である。本発明にかかる顕微鏡装置において、操作針の針先を標本にセットする際の動作フローを示す。

符号の説明

１テーブル
３標本
４位置検出器
５顕微鏡
６、４６連動コントローラ
７表示用コントローラ
９ステージ
１１照明光学系
１３対物レンズ
１５接眼レンズ
１６対物鏡筒
１７焦準ハンドル
２１マニピュレータ
２３操作針
２５マニピュレータ操作部
２７マニピュレータ駆動装置
２９連動ＯＮ／ＯＦＦスイッチ（連動スイッチ）
３０視野
３６ＰＣ
１００顕微鏡装置

Claims

対物レンズと、
前記対物レンズを駆動する対物レンズ駆動手段と、
前記対物レンズのＺ軸方向の位置情報を検出する位置検出手段と、
標本に微細な操作を行うための操作針を有する電気制御可能なマニピュレータと、
前記マニピュレータの操作針を駆動制御するマニピュレータ駆動手段と、
前記対物レンズ駆動手段と前記マニピュレータ駆動手段とを連動／非連動させる電気的な切換手段と、
前記切換手段により前記両者を連動させた時には、前記位置検出手段の検出情報に基づいて、前記マニピュレータ駆動手段を制御して前記マニピュレータの操作針を駆動する制御手段と、
前記切換手段により前記両者を非連動させた時には、前記マニピュレータ駆動手段を制御して前記マニピュレータの操作針を駆動するマニュピレータ操作部と、
前記位置検出手段により検出された前記対物レンズの前記位置情報を表示する表示手段と、
前記表示手段の前記位置情報をリセットするリセット手段とを備え、
前記制御手段は、前記対物レンズの移動に連動させて前記マニピュレータの操作針を移動制御する際に、前記対物レンズの位置情報が前記リセット手段でリセットされた値と前もって与えられたオフセット値との差の値に成ったことを検出すると、前記対物レンズ駆動手段と前記マニピュレータ駆動手段とを停止させ、連動を解除することを特徴とする顕微鏡装置。
前記マニピュレータが複数配置され、それぞれに対応する前記切換手段を有し、
前記切換手段が連動にセットされた前記マニピュレータの上下動が前記対物レンズの上下動と連動可能であることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡装置。