JPS6162015A

JPS6162015A - マイクロマニピユレ−シヨン装置

Info

Publication number: JPS6162015A
Application number: JP18496884A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Hayakawa; 毅早川; Katsuyuki Kinoshita; 勝之木下; Hideji Fujiwake; 秀司藤分
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1984-09-04
Filing date: 1984-09-04
Publication date: 1986-03-29

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は物体像を電子光学的に拡大しつつ、マイクロマ
ニピュレータで物体に微細な操作を行うマイクロマニピ
ユレーション装置に関する。

（従来の技術）生体のもっている機能を研究する生物科学の分野におい
て生きたままで実験操作を加えることは最も重要な研究
の一つである。

そのため微細な生体の観察試料を拡大観察中に、その観
察試料に外部からの操作を加′えたいと言う強い要請が
ある。

倒立および生体顕微鏡の本体のステージにマイクロマニ
ピュレータの棒状の操作部の基部を取り付けるシステム
が株式会社成茂科学機械研究所により形式ＭＯ−１０２
Ｎとして販売されている。

マイクロマニピュレータの棒状の操作部の先端は前記顕
微鏡の載置された机の上等に配置された油圧駆動部を操
作することにより先端部を微細に移動することができる
。

培養液中の試料を光学顕微鏡で拡大観察しながら前記微
細な試料に前記マイクロマニピュレータにより操作を加
える例について説明する。

このように液体中に存在する試料、または液体の試料を
観察する場合には光学顕微鏡の鏡筒を倒立させて、対物
レンズが上側になる状態で使用する特殊な顕微鏡が使用
される。

そして、前記マイクロマニピュレータの操作部を試料と
前記試料を照射するコンデンサレンズ（集光用のレンズ
）との間に配置する。

この空間を確保するためには、長焦点距離のコンデンサ
レンズを使用することが絶対的に必要となる。

この長焦点距離コンデンサレンズを使用してもコンデン
サの存在が種々の制約となり、マイクロマニピュレータ
の操作は制限を受け、高度の熟練を有する者しか操作は
不可能であった。

さらに、この長焦点距離コンデンサではレンズのＮ、Ａ
値が低いため、高分解能での微細な操作は不可能となる
。

（発明の目的）本発明の主目的は前述のような光学顕微鏡と異なる像拡
大装置を用いて、前述の問題を解決したマイクロマニピ
ユレーション装置を提供することにある。

本発明の第２の目的はマイクロマニピュレータからの信
号により関心部分を決定して、その部分を拡大観察する
ことができるマイクロマニピュレ−ション装置を提供す
ることにある。

（発明の構成）前記第１の目的を達成するために本発明によるマイクロ
マニピユレーション装置は、上面に試料を載置する透明
試料台と、前記試料台に載置された試料を上側から照明
する照明手段と、前記試料台上の試料を操作するマイク
ロマニピュレータと、気密容器、前記容器の第１の底面
に形成された光電面、前記第１の底面に対向する第２の
底面に形成された螢光面、前記光電面に被写体の像を形
成する光学レンズ、前記円筒気密容器の外周に配置され
た第１および第２の集束コイル、前記光電面の発生した
電子を前記螢光面方向に加速する電界発生手段、前記第
１および第２の集束コイルからなる像拡大管、および入
力された拡大率にしたがって前記第１および第２の集束
コイルの電流間に前記拡大率において結像位置を変更さ
せない一定の関係を保って電流を供給する拡大率制御回
路からなる像拡大装置と、前記像拡大管の光電面に被写
体像を形成する光学手段と、前記像拡大装置の出力を再
生するテレビジョン再生装置とからなり、前記テレビジ
ョン再生装置を観察しながら前記マイクロマニピュレー
タを操作するように構成されている。

また前記第２の目的を達成するために本発明によるマイ
クロマニピユレーション装置は、上面に試料を載置する
透明試料台と、前記試料台に載置された試料を上側から
照明する照明手段と、前記試料台上の試料を試料台の上
側から操作し、操作端の位置に関する信号を出力するマ
イクロマニピュレータと、気密容器、前記容器の第１の
底面に形成された光電面、前記第１の底面に対向する第
２の底面に形成された螢光面、前記光電面に被写体の像
を形成する光学レンズ、前記円筒気密容器の外周に配置
された第１および第２の集束コイル。

前記光電面の発生した電子を前記螢光面方向に加速する
電界発生手段、前記第１および第２の集束コイルからな
る像拡大管、および入力された拡大率および拡大中心位
置にしたがって前記第１および第２の集束コイルの電流
間に前記拡大率において結像位置を変更させない一定の
関係を保って電流を供給し、前記拡大率によって変わる
像の回転量を考慮して拡大した像部分を前記螢光面の中
心に形成する偏向信号を前記像拡大管の偏向装置に供給
する拡大率および位置制御回路からなる像拡大装置と、
前記像拡大管の光電面に被写体像を形成する光学手段と
、前記像拡大装置の出力を再生するテレビジョン再生装
置と、前記マイクロマニピュレータからの操作端の情報
にしたがって前記拡大率および位置制御回路に拡大位置
と倍率を入力して前記マイクロマニピュレータの操作端
と試料部分を拡大観察するように構成されている。

（実施例）以下、図面等を参照して本発明をさらに詳しく説明する
。

第１図は前記第１の発明によるマイクロマニピユレーシ
ョン装置の実施例を示すブロック図、第２図は前記第２
の発明の実施例を示すブロック図である。

これらの説明の前に本発明で使用する像拡大装置の構成
を第３図以下を参照して説明する。

第３図は前記像拡大装置の実施例を示すブロック図であ
る。

像拡大装置の本体を形成するガラス容器は、直径５Ｑｍ
ｍ、長さ３００ｍｍの円筒状の容器である。

前記ガラス気密容器の第１の底面は、内面にＳ　−２０
（米国電子機械工業会ＥＩＡ規格）と呼ぼれる高感度の
光電面７が形成されている。

前記容器内には前記光電面７に対向するように網目状電
極９．容器内周面に円筒状電極１０が設けられている。

網目状電極９は光電面７と間隔５ｍｍを保って平行に配
置されている。円筒電極１０は気密容器の円筒状の側面
の内壁で、網目状電極９と螢光面８の間の部分にアルミ
ニュウムの薄膜を形成したものである。螢光面８は、前
記ガラス気密容器の第２の底面の内壁にＰ−１）（米国
電子機械工業会ＥＩＡ規格）と呼ばれる螢光体を塗布し
て形成したものである。

また電界発生手段１６は各電極等に以下の電位を与えて
、前記光電面７の発生した電子を螢光面８方向に加速す
る。

光電面７には一７ＫＶ、螢光面８．網目状電極９゜円筒
電極１０にはＯ■が与えられている。

前記円筒気密容器の外周には、第１および第２の集束コ
イル１）．１２が配置されている。第１集束コイル１）
は光電面７から２０ｍｍだけ螢光面８に寄った気密容器
の外側に配置され、第２集束コイル１２は光電面７から
１５０ｍｍだけ螢光面８によった気密容器の外側に配置
されている。

第４図は前記像拡大装置の第１および第２の集束コイル
の電流と拡大率との関係を示すグラフである。

前記構成において各集束コイルに集束電流発生回路１３
から、第４図に示す一定の関係を持つ電流を供給するこ
とにより、結像面を移動させることなく、螢光面８に形
成される像の倍率を変更することができる。

第４図から、第１の集束コイル１）に電流を流さないで
、第２の集束コイルに１７０ｍＡの電流を流すと像の倍
率は１倍であることが理解できる。

同様に、第１の集束コイル１）に７００ｍＡ、、ｆ１％
２の集束コイルに１５０ｍＡの電流を流すと像の倍率は
２倍となる。

第１の集束コイル１）に１０５　ＯｍＡ、第２の集束コ
イルに］ＯＯｍＡの電流を流すと像の倍率は５倍となる
。

第１の集束コイル１）に１２００ｍＡ、第２の集束コイ
ルに４６　ｍ　Ａの電流を流すと像の倍率は８倍となる
。

第１の集束コイルの電流を１３０　ＯｍＡ、第２の集束
コイルの電流をＯｍＡにすると像の拡大倍率は１０倍と
なる。

第４図に示す関係を保って各コイルの電流を変化させる
と、１〜１０倍の間で電子光学的に倍率を連続的に変化
させることができる。

前記気密容器の外周はさらに、前記電子を偏向する２対
の偏向コイル】４が設けられている。前記２対のコイル
にＯ〜５００ｍＡの電流を提供することにより光電面７
の任意の点から放出した光電子を螢光面８の任意の点に
入射させることができる。

偏向電流電源１５は前記２対のコイルに所望の偏向が得
られる電流を提供する。

第５図は前記像拡大装置を用いて関心部分と拡大率を指
定して当該部分を螢光面の中心に拡大するように構成し
たシステムの実施例を示すブロック図である。

第５図において、第１図と同一の部分には、同一の番号
を付してそれらの説明は省略する。

手動入力装置１７は、希望する拡大率Ｍと、拡大して螢
光面上に形成される像の中心Ｐ（以下拡大の中心という
）を入力する入力装置である。

螢光面上の像の中心Ｐは、あらかじめ所定の拡大率Ｍ（
通常１）で、光電面の中心に投影された像が螢光面の中
心になるように像を形成しておき、前記像の螢光面上で
の座標で指定する。

前記拡大率と拡大の中心をキーインすると出力端子１７
１から拡大率Ｍを表す信号が出力され、出力端子１７２
からは拡大の中心Ｐを表す信号が出力される。

拡大率信号変換回路１８には前記手動入力装置１７で入
力された拡大率に関するデータが接続されている。この
回１ｉ！８１８は指定された拡大率に対して、第４図に
示すような拡大率Ｍの各館の点における横軸座標（第１
の集束コイルの電流）に相当する信号を出力端子１８１
から、縦軸座標（第２の東京コイルの電流）に相当する
信号を出力端子１８２から送出する。

集束コイルの電源１３は、拡大率信号変換回路１８の信
号に従って、第１象束コイル電流と、第２隼束コイル電
流を各コイルに送出する。

この集束コイル電流によって光電面の電子像は螢光面で
指定された倍率Ｍに拡大される。

偏向信号発生回路１９には拡大率信号と位置信号が接続
されている。

偏向信号発４ト回路１９は、前記Ｍ倍に拡大された像の
拡大の中心点Ｐが螢光面の中心になるように偏向するた
めの偏向コイル電流を送出する。

第６図に偏向信号発生回路の実施例を示す。

希望する拡大率を得るために集束コイルに電流を流すと
、前記電流によって光電面上の電子像が螢光面上に拡大
されるが、その中心のまわりに回転させられる。

この角度を回転角ということにする。拡大率と回転角の
間には一定の関係がある。

拡大の中心を決定する場合にこの回転角が問題となる。

通常電子光学的拡大率１のときに螢光面上の任意の点を
指定し、これを拡大すると拡大像は、その拡大率に対応
して回転し、前の画面と角度がずれる。偏向信号発生回
１ｉ８１．９の関数変換回路１９２は拡大率を回転角に
変換する回路である。

なお、第７図の縦軸の目盛はＭ＝１のときの回転角との
差を示している。

偏向信号発生回路１９の演算回路１９３は拡大率Ｍ９回
転角θおよびＰ、螢光面中心を原点としたＰの座標を（
Ｘｏ、）’ｏ）とするからＸＩ　＝Ｍ　（ＸＯｃｏｓθ
−ｙｏｓｉｎθ））Ｊ　＝Ｍ　（ｘＯＳＩｎθ−３’Ｑ
ＣＯ３θ）なる演算を行い、ｘｌおよびｙｌを出力する
演算回路である。

座標（Ｘ＋、）’＋）で表される点Ｑ（ｘ＋、ｙ＋）は
拡大率Ｍを（ｑるための集束コイルに電流を流したとき
螢光面」二でＰ点が移動した点である。

さらに偏向方向は、偏向磁界と集束磁界の管軸に垂直な
成分との合成磁界によって決まる。また拡大率Ｍを変え
るために集束磁界を変化させている。

これらを考慮すると偏向磁界によって偏向しようとする
方向と結果として偏向される方向との間に方向のずれ（
差）が生しる。

拡大率Ｍ＝１のとき集束磁界の管軸に垂直な成分ば０で
ある。

この偏向方向のずれと拡大率との関係を第８図に示す。

拡大率１回転角変換回路１９４は拡大率を偏向方向のず
れαの角度に変換する関数変換回路である。

回１７３１９５は前記偏向方向のずれαと、前記Ｑ（Ｘ
＋、ｙ＋）を入力しＸ２”’ＸＩＣＯ３α」ｌ’＋ｓｉｎαｙ２＝ＸＩＳｉ
ｎ　　α＋ｙ１　ｃｏｓ　　αなる演算を行い、Ｑ（ｘ
＋、ｙ＋）点を螢光面の中心である原点まで偏向すると
きに考慮する補正した仮の点Ｑ　’　　（ｘ２　、　　
ｙ　２　）を出力する。

偏向感度の補正回路１９６は偏向感度の補正をする回路
である。偏向感度は拡大率Ｍによって第９図のように変
化する。

回路１９６は拡大率Ｍを入力して偏向感度りを出力する
。

演算回路１９７は前記偏向感度りと前記板の点Ｑ′（Ｘ
２．ｙ２）の座標から１ｘ＝ｘ２／Ｄｉｙ＝ｙ２／Ｄを演算してｉｘ、ｉｙを出力する演算回路である。

ｉｘ、ｉｙはＱ（Ｘ＋、３’＋）点を螢光面の中心に移
動するのに必要な偏向電流である。

ｉｘはＸ方向に偏向する偏向コイルの駆動電源１５Ｘに
接続され、ｉｙはｙ方向に偏向するコイルの駆動電源１
５Ｙに接続されている。

これらの回路により偏向信号発生回路１９は前記Ｍ倍に
拡大された像の所望の部分が螢光面の中心になるように
偏向コイル電流を制御する。

以上説明したように、像拡大装置は光電面に形成された
像を電子光学的な倍率ｌの状態で螢光面に形成し、拡大
率入力手段により拡大率を入力ずれば、所望の拡大像を
得ることができる。

また偏向装置と、拡大中心入力手段からの信号と前記拡
大率入力手段からの拡大率を示す信号が接続されている
偏向信号発生回路とを有するから拡大率によって変わる
像の回転を考慮して、拡大像の所望の部分を螢光面の中
心に形成することができる。

第１図は第１の発明によるマイクロマニピユレーション
装置の実施例を示すブロック図である。

透明な試料台５の上に試料３が配置され上側に配置され
た光源１により照射される。

マイクロマニピュレータ２Ａ、２Ｂは前記透明試料台５
の両側から前記試料を操作できるように配置されている
。試料３の透過像はレンズ６により像増倍装置１００の
光電面に結像させられる。

この増倍装置の拡大率は拡大率制御回路１０１により入
力され希望する任意の倍率が選ばれる。

像増倍装置１００の螢光面に現れた拡大された試料の像
は、撮像装置１０２により撮像され、テレビジョン信号
処理回路１０３を介してテレビジョン再生装置１０４に
再生される。

オペレータはこのテレビジョン再生装置１０４の像を観
察しながら前記マイクロマニピュレータ２Ａ、２Ｂを操
作する入力をする。

より高分解能下でのマイクロマニピユレーションを行う
時には試料３を直接撮像面上に設置し、像拡大装置の入
力面板を試料台として直接利用しても良い。

撮像面上の分解能は０．２μｍ程度であり、試料と撮像
面との距離が短いため、光の回折の影響を軽減すること
ができる。

第２図は第２の発明によるマイクロマニピユレーション
装置の実施例を示すブロック図である。

この実施例装置で使用する像増倍装置１００は拡大位置
入力機能をもつ像増倍装置である。

また１）０ば拡大率および位置制御回路であって、後述
するように拡大率および位置制御回路駆動回路１０５か
ら入力された信号により、像増倍装置１００の光電面の
像の指定された拡大位置を指定された拡大率で増倍する
。

マイクロマニピュレータ２Ａ、２Ｂは前記実施例同様に
透明試料台５の両側から前記試料を操作できるように配
置されている。

マイクロマニピュレータ２八、２Ｂにはそれぞれ、マイ
クロマニピュレータ制御装置１０７，１０８が接続され
ており、マイクロマニピュレータ制御装置１０７．１０
８を介してマイクロマニピュレータ２Ａ、２Ｂを駆動す
る信号が供給されている。

またマイクロマニピュレータ２Ａはボテンシオメーク２
ａ、２ｂ、マイクロマニピュレータ２Ｂは、ポテンシオ
メータ２ｃ、２ｄを持ちマイクロマニピュレータの位置
の情報をマイクロマニピュレータ制御装置１０７，１０
８を介して出力している。

この位置の情報むま演算装置１０６に入力され、予め入
力されているマイクロマニピュレータの諸元（マイクロ
マニピュレータの各アームの長さ等）からマイクロマニ
ピュレータの先端位置や、２つのマイクロマニピュレー
タの先端間の位置を算出して拡大率および位置制御回路
駆動回路１０５に入力する。拡大率および位置制御回路
駆動回路１０５はこの点を拡大の中心位置データとし、
外部入力装置１０９から入力された拡大率の情報と一緒
に拡大率および位置制御回路１）０に入力する。

これにより拡大装置１００は光電面に形成された像を螢
光面に拡大投影する。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、光学顕微鏡を使用
しないから、光学顕微鏡使用時におけるマイクロマニピ
ュレータの受ける種々の制限を解消することができる。

第１の発明では、オペレータはテレビジョン再生装置１
０４を見ながら、試料に自由に操作を加えることができ
マイクロマニピユレーションが極めて容易となる。

第２の発明では、拡大すべき位置をマイクロマニピュレ
ータからの信号により決定が可能であり、その部分を希
望する拡大率で拡大観察することができる。

さらに他の部分についてマイクロマニピユレーションを
行いその部分を希望する拡大率で拡大観察することがで
きる。拡大率が変わっても像の回転はないので、マイク
ロマニピユレーションが容易となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の発明によるマイクロマニピユレーション
装置の実施例を示すブロック図である。第２図は第２の発明によるマイクロマニピユレーション
装置の実施例を示すブロック図である。第３図は前記像拡大装置の実施例を示すブロック図であ
る。第４図は前記像拡大装置の第１および第２の集束コイル
の電流と拡大率との関係を示すグラフである。第５図は前記像拡大装置を用いて関心部分と拡大率を指
定して当該部分を螢光面の中心に拡大するように構成し
たシステムの実施例を示すブロック図である。第６図は偏向信号発生回路の実施例を示すブロック図で
ある。第８図は拡大率と偏向方向の角度の関係を示すグラフ図
である。第９図は拡大率と偏向感度の関係を示すグラフである。１・・・光源２Ａ、２Ｂ・旧・・マイクロマニピュレータ３・・・試
料　　　　　　　５・・・試料台６・・・光学レンズ　
　　　７・・・光電面９・・・網目状電極　　　　１０
・・・円筒状電極１）・・・第１の集束コイル１２・・・第２の集束コイル１３・・・集束コイルの電源１６・・・電界発生手段１７・・・手動入力装置１８・・・拡大率信号変換回路１９・・・偏向信号発生回路１００・・・像増倍装置１０１・・・拡大率制御回路１０２・・・撮像装置１０３・・・テレビジョン信号処理回路１０４・・・テ
レビジョン再生装置１０５・・・拡大率および位置制御回路駆動回路１０６
・・・演算装置１０７．１０８・・・マイクロマニピュレータ制御装置１０９・・・入力装置（キーボード）特許出願人　浜松ホトニクス株式会社代理人　弁理士　　井　ノ　ロ　　壽（２３〉第１図第５図１６図オフ図オ８図手続補正書（浮）昭和６０年　２月　８日 ■計口５９年特　許　願第１８４９６８号２、発明の名
称マイクロマニピユレーション装置３、補正をする者事件との１■系　　　特許出願人４、代　理　人明細書第２２頁第８行目の「・・・図である。」の次の
行に［第７図は拡大率と回転角の関係を示すグラフであ
る。」を加入する。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）上面に試料を載置する透明試料台と、前記試料台
に載置された試料を上側から照明する照明手段と、前記
試料台上の試料を操作するマイクロマニピュレータと、
気密容器、前記容器の第１の底面に形成された光電面、
前記第１の底面に対向する第２の底面に形成された螢光
面、前記光電面に被写体の像を形成する光学レンズ、前
記気密容器の外周に配置された第１および第２の集束コ
イル、前記光電面の発生した電子を前記螢光面方向に加
速する電界発生手段、前記第１および第２の集束コイル
からなる像拡大管、および入力された拡大率にしたがっ
て前記第１および第２の集束コイルの電流間に前記拡大
率において結像位置を変更させない一定の関係を保って
電流を供給する拡大率制御回路からなる像拡大装置と、
前記像拡大管の光電面に被写体像を形成する光学手段と
、前記像拡大装置の出力を撮像再生するテレビジョン再
生装置とからなり、前記テレビジョン再生装置を観察し
ながら前記マイクロマニピュレータを操作するように構
成したマイクロマニピュレーション装置。
（２）上面に試料を載置する透明試料台と、前記試料台
に載置された試料を上側から照明する照明手段と、前記
試料台上の試料を試料台の上側から操作し、操作端の位
置に関する信号を出力するマイクロマニピュレータと、
気密容器、前記容器の第１の底面に形成された光電面、
前記第１の底面に対向する第２の底面に形成された螢光
面、前記光電面に被写体の像を形成する光学レンズ、前
記気密容器の外周に配置された第１および第２の集束コ
イル、前記光電面の発生した電子を前記螢光面方向に加
速する電界発生手段、前記第１および第２の集束コイル
からなる像拡大管、および入力された拡大率および拡大
中心位置にしたがって前記第１および第２の集束コイル
の電流間に前記拡大率において結像位置を変更させない
一定の関係を保って電流を供給し、前記拡大率によって
変わる像の回転量を考慮して拡大した像部分を前記螢光
面の中心に形成する偏向信号を前記像拡大管の偏向装置
に供給する拡大率および位置制御回路からなる像拡大装
置と、前記像拡大間の光電面に被写体像を形成する光学
手段と、前記像拡大装置の出力を撮像再生するテレビジ
ョン再生装置と、前記マイクロマニピュレータからの操
作端の情報にしたがって前記拡大率および位置制御回路
に拡大位置と倍率を入力して前記マイクロマニピュレー
タの操作端と試料部分を拡大観察するように構成したマ
イクロマニピュレーション装置。