WO2010116912A1 - トラッキング装置およびこのトラッキング装置を備えたトラッキング顕微鏡並びにトラッキング方法 - Google Patents

Abstract

　複雑化することなく被撮像対象をトラッキングできるトラッキング装置を提供する。トラッキング装置のビジュアルフィードバックの制御装置を、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、プレパラートに対する個々の相対移動を検出する検出手段と、相対移動が検出された当該被撮像対象をトラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、抽出され当該表示手段に表示されたトラッキング対象候補の中から使用者が選択した被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手段と、によって構成する。

Description

トラッキング装置およびこのトラッキング装置を備えたトラッキング顕微鏡並びにトラッキング方法

　本発明は、撮像された運動性物体の画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を追跡するトラッキング装置を備えたトラッキング顕微鏡に関する。

　運動性物体に追跡するための装置として、本願発明者らが提案したトラッキング顕微鏡（以下、適宜「従来のトラッキング顕微鏡」という）がある。従来のトラッキング顕微鏡は、ビジュアルフィードバック（Ｖｉｓｕａｌ　Ｆｅｅｄｂａｃｋ）により運動性物体（微生物）を追跡（二次元トラッキング）するためのトラッキング装置を搭載したトラッキング顕微鏡（以下、適宜「従来のトラッキング顕微鏡」という）である（非特許文献１参照）。一般の顕微鏡は、微生物の動きを充分な解像度で観察する上でとても重要な器具である。しかしながら、そのような顕微鏡であっても、視野に限界があるため、運動する微生物を継続的に観察することがたいへん難しいという問題があった。微生物の動きがきわめて速い場合、すぐに視野から外れてしまうからである。そのような課題を解決するために従来のトラッキング顕微鏡は、対象である微生物が視野中心に来るように視野を移動させることができるように構成されている。視野の移動は、トラッキング顕微鏡が備える可動ステージがこれを可能とし、その可動ステージの高速移動によって可動ステージ上の観察対象物を視野中心に来させるようになっている。（非特許文献２、非特許文献３参照）。さらに、従来のトラッキング顕微鏡は、上述したように二次元トラッキングを行うものであるが、可動ステージや対物レンズを上下動させることによって三次元トラッキングも可能となる（非特許文献４及び５参照）。これらに加え、印加電圧に応じて形状を変化させる圧電素子（ピエゾ素子）の形状を周期的に伸縮させるための駆動部の構成が、非特許文献６及び７に示されている。

H.Oku,N.Ogawa and M.Ishikawa,K.Hashimoto. Two-demensional tracking of a micro-organism allowing high-resolution observation with various imaging techniques, REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 76.034301(2005) 奥寛雅、石井抱、石川正俊：高速ビジュアルフィードバックによる微生物のトラッキング：ロボティックス・メカトロニクス講演会(2001) 尾川順子、石川貴彦、奥寛雅、柴小菊、吉田学、石川正俊：高速ビジュアルフィードバックによる微生物のトラッキング：[No.07-2]Proceedings of the 2007 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Akita, Japan, May 10-12,2007 H. Oku, M. Ishikawa, Theodorus, and K. Hashimoto : High-speed autofocusing of a cell using diffraction pattern, Optics Express, Vol.14, pp.3952-3960 (2006) 尾川順子：高速ビジュアルサーボ技術を用いたマイクロ世界の計測と制御：第２１回エアロ・アクアバイオメカニズム研究会講演会資料（2008.3.21，千葉大学） H. Oku, M. Ishikawa, Rapid Liquid Variable-F0ocus Lens with 2-ms Response, Pric. Of the 19th Annual Meeting of the IEEE LEOS(2006) 奥寛雅、石川正俊、液体界面を屈折面とする高速可変焦点レンズの構造、日本光学会年次学術講演会・日本分光学会秋季後援会　Optics & Photonics Japan 2006（東京, 2006.11.9）／Post-Deadline  論文集, PP.10-11

（第１の課題）
　しかしながら、従来のトラッキング顕微鏡によれば、運動性物体よりも非運動性物体の方が、トラッキング装置にとってより安定して見えるため、観察対象の中に両物体が混在している場合にトラッキング障害となるおそれがあった。ここで、たとえば、運動性物体である微生物と非運動性物体である塵埃（ごみ）とが混在している場合を考える。この場合に、トラッキングしていた微生物が視界から消えた瞬間におけるトラッキング装置は、それに代わる新たなトラッキング対象として塵埃を認識しそのままの状態を継続させてしまう。このように本来の対象である運動性物体をトラッキングしないで、非運動性物体をトラッキング（静止状態のトラッキング）してしまうのが、トラッキング障害の典型例である。トラッキング障害の発生しづらいトラッキング装置若しくはトラッキング顕微鏡の提供が、本発明が解決しようとする第１の課題である。

（第２の課題）
　可動ステージの高速移動によって観察対象物を視野中心に来させるようになっている点は、既に述べた。ここで、第１番目に可動ステージが動く面とプレパラート表面とがマイクロメートルの精度で並行（アライメント）になっている状態を実現する必要があるが、従来はこの状態が実現できないことが多く、可動ステージの移動に伴ってプレパラート表面の位置が上下にも移動してしまい、焦点面から外れてしまう恐れがあった。可動ステージの高速移動は、その上に固定したプレパラートをも高速移動させ、さらに、追跡のための発進停止や方向転換が繰り返される。第２番目に従来のプレパラートはその一端側が片持ち支持されていたので、この方向転換の際に支持されていない他端側が慣性とその弾性とによって上下振動することがあった。この振動が、プレパラートの他端側を顕微鏡の被写界深度を超えたこところまで変位させてしまう結果、焦点が合わなくなって鮮明画像を得られなくなる場合があった。さらに、上述した第１番目及び第２番目の問題点を解決しようとすると、可動ステージにプレパラートを固定する固定機構が堅固で着脱しづらい構造になり、使い勝手が悪くなりがちであった。トラッキング装置若しくはトラッキング顕微鏡において、プレパラートの焦点面からの外れや焦点が合わなくなることによる不鮮明画像を、使い勝手がよい状態を保ちながら防止することが、本発明が解決しようとする第２の課題である。

（第３の課題）
　可動ステージの移動は、トラッキング顕微鏡が備えるトラッキング装置による駆動によって行われるが、ここで、そのトラッキング装置の開発・調整に当って改良の余地があった。トラッキング装置の開発に当たり様々な実地実験が必要となるが、従来のトラッキング装置によれば実際に生きている観察対象を用意する必要があった。たとえば、ゾウリムシやホヤ精子のような観察対象を生きたまま用意することは、その環境を作り出すための手間やコストが膨大であり、また、季節によっては採取不可能の場合もある。さらに、生きた観察対象を用意できたとしても、その運動方向や速度の制御ができないことから、調製途中の観察対象として適さない場合が多かった。このような背景からトラッキング顕微鏡の調製が思うように行うことができず、この点に改良が望まれていた。開発・調製を低コストで、かつ、制御下において行うことのできるトラッキング装置若しくはトラッキング顕微鏡の提供が、本発明が解決しようとする第３の課題である。

（第４の課題）
　可動ステージの移動は、トラッキング装置による駆動によって行われることは、上記第３の課題の中で述べたとおりであるが、このことは、開発・調整済のトラッキング装置を搭載したトラッキング顕微鏡の使用時においても改良すべき点を残した。それは、従来のトラッキング顕微鏡では、観察中にトラッキング対象を簡単に変更できない点である。たとえば、ある運動性物体をトラッキング観察しているときに、視野に入った他の運動性物体をしたい場合がある。静止物体を観察しているときに、運動性物体をトラッキング観察したくなる場合やその逆の場合もある。このようなときに観察対象を簡単に変更できないのが従来のトラッキング顕微鏡であった。観察中において観察対象を簡単に変更できるようなトラッキング装置若しくはトラッキング顕微鏡を提供することが、本発明が解決しようとする第４の課題である。

（第５の課題）
　従来のトラッキング顕微鏡のトラッキングには、二次元のものと三次元のものとがあることは、上掲した背景技術の欄で述べた。このうち三次元トラッキングでは、対象の深さ位置をDepth From Diffraction(DFDi)と呼ばれる手法で1000Hzで計測し、可動ステージ若しくは対物レンズを上下動（Ｚ軸方向に移動）させることによってZ軸方向のトラッキングを実現する。しかし、DFDi手法は限られた対象と照明方法との組み合わせでのみ有効であり、汎用性に限界があった。この問題点を解決し、任意の対象・照明手法・観察手法で三次元トラッキングを実現することのできるトラッキング装置若しくはトラッキング顕微鏡の提供が、本発明が解決しようとする第５の課題である。

　本発明は、上述した５課題を解決するためになされたものであり、トラッキング障害や不鮮明画像が発生しづらく、開発・調整が行い易く、観察対象を簡単に変更でき、さらに、複雑化することなく三次元トラッキングを可能とするトラッキング装置、トラッキング顕微鏡並びにトラッキング方法を提供することを目的とする。

　前掲した目的を達成するために本発明は、次項以下で述べる特徴を備えている。なお、何れかの請求項に係る発明の特徴を述べるに当って行う用語の定義等は、その記載順やカテゴリーの違いに関わりなく、可能な範囲において他の請求項に係る発明にも適用されるものとする。

（請求項１記載の発明の特徴）
　請求項１記載の発明に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項１の装置」という）は、運動性物体（たとえば、微生物、非運動性物体を含む場合もある）を保持する矩形プレパラート（チェンバー）と、当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、当該撮像装置が撮像した運動性物体の像を可視表示する表示装置と、当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、を備え装置である。ここで、当該制御装置が、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する個々の相対移動を検出する検出手段と、当該検出手段によって相対移動が検出された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、当該対象抽出手によって抽出され当該表示手段に表示されたトラッキング対象候補の中から使用者が選択した被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手段と、を有している。

　請求項１の装置によれば、矩形プレパラート内に保持された運動性物体の像が対物レンズを介して撮像装置に撮像される。撮像された物体画像に対してビジュアルフィードバックを行うことによって運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡する。追跡は、制御装置（たとえば、コンピュータ）が可動ステージを制御することによって実現する。ここで、プレパラートに対して相対移動する個々の被撮像対象を抽出し、その抽出した中から選択した被撮像対象をトラッキング対象としてトラッキングするようになっている。トラッキング対象の選択は、表示手段を見ながら使用者が行う。撮像画像には多数の運動性物体とともに非運動性物体が含まれることが通常であり、その中からトラッキング対象を選択する。この選択によって、非運動性物体および不要な運動性物体を排除することができる。この排除によって、排除がなければ生じたであろうトラッキング障害を有効排除することができる（第１の課題）。

（請求項２記載の発明の特徴）
　請求項２に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項２の装置」という）は、請求項１の装置を前提として、前記対象抽出手段が、トラッキング対象候補とした被撮像対象各々の座標を示す対象座標を把握するように構成してあり、前記選択手段が、当該表示手段上において使用者が選択したポイントの座標を示すポイント座標を把握するように構成してあり、前記選択手段が、当該ポイント座標が把握された時点で当該ポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択するように構成してある。

　請求項２の装置によれば、請求項１の装置の作用効果に加え、選択手段は、トラッキング対象候補とした被撮像対象各々の座標とポイント座標とを比較してポイント座標が把握された時点でポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する。トラッキング候補とした被撮像対象各々は、プレパラートに対して相対運動しているため、使用者の選択は必ずしも容易でない場合がある。使用者は狙いをつけた被撮像対象を選択しようとするがタイミングが合わない場合もある。そのような場合に、ポイント座標に直近の被撮像対象をトラッキング対象とすることによって、トラッキング障害を有効に抑制することができる（第１の課題）。使用者が選択しようとした被撮像対象とは異なる被撮像対象がトラッキング対象となってしまったとき、すなわち、選択しようとした被撮像対象よりも異なる被撮像対象のほうが選択ポイントに近かったとき使用者は、そのままでよければそのままトラッキングを続けることもできるが、選択作業をやり直して選択しようとした被撮像対象をトラッキングさせることもできる。

（請求項３記載の発明の特徴）
　請求項３記載の発明に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項３の装置」という）は、運動性物体を保持する矩形プレパラートと、当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、当該撮像装置が撮像した運動性物体の像を可視表示する表示装置と、当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、を備える装置である。ここで、当該制御装置が、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する平均相対速度を算出する算出手段と、当該算出手段が算出した被撮像対象の平均相対速度を、予め定めた基準速度と比較して遅速を判定する判定手段と、当該判定手段によって当該平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、当該対象抽出手によって抽出されたトラッキング対象候補の中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手段と、を有している。

　請求項３の装置によれば、矩形プレパラート内に保持された運動性物体の像が対物レンズを介して撮像装置に撮像される。撮像された物体画像に対してビジュアルフィードバックを行うことによって運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡する。追跡は、制御装置が可動ステージを制御することによって実現する。ここで、予め定めた基準速度よりも平均相対速度の速い被撮像対象をトラッキング対象となる被撮像対象を抽出し、その抽出したトラッキング対象の中から選択してトラッキングするようになっている。トラッキング対象の選択は、使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足（たとえば、最速を選択条件とする）の何れかに係らせる。撮像画像には多数の運動性物体とともに非運動性物体が含まれることが通常であり、その中からトラッキング対象を選択する必要がある。運動性物体よりも非運動性物体の方が、トラッキング装置にとってより安定して見えることは前掲したとおりであるから、非運動性物体および不要な運動性物体を排除するためである。この排除によって、排除がなければ生じたであろうトラッキング障害を有効排除することができる（第１の課題）。

（請求項４記載の発明の特徴）
　請求項４に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項４の装置」という）は、運動性物体を保持する矩形プレパラートと、当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、を備える装置である。ここで、当該制御装置（たとえば、コンピュータ）が、被撮像対象を任意に指定するための対象指定手段（たとえば、マウスやキーボード）と、当該対象指定手段によって指定された被撮像対象をトラッキング対象として選択する対象選択手段と、を有している。

　請求項４の装置によれば、矩形プレパラート内に保持された運動性物体の像が対物レンズを介して撮像装置に撮像される。撮像された物体画像に対してビジュアルフィードバックを行うことによって運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡する。追跡は、制御装置が可動ステージを制御することによって実現する。ここで、装置使用者が対象指定手段からの入力によって指定する被撮像対象をトラッキング対象として選択してトラッキングするようになっている。撮像画像には多数の運動性物体とともに非運動性物体が含まれることが通常であり、その中からトラッキング対象を選択する必要がある。運動性物体よりも非運動性物体の方が、トラッキング装置にとってより安定して見えることは前掲したとおりであるから、非運動性物体および不要な運動性物体を排除するためである。この排除によって、排除がなければ生じたであろうトラッキング障害を有効排除することができる（第１の課題）。

（請求項５記載の発明の特徴）
　請求項５に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項５の装置」という）は、運動性物体を保持する矩形プレパラートと、当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、を備えている。ここで、当該制御装置が、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該チャンバーに対する平均相対速度を算出する算出手段と、当該算出手段が算出した被撮像対象の平均相対速度を、予め定めた基準速度と比較して遅速を判定する判定手段と、当該判定手段によって当該平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、当該対象抽出手によって抽出されたトラッキング対象候補の中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係る被撮像対象を択一的に選択する選択手段と、
　手動トラッキングモードと自動トラッキングモードとを切り替えるためのモード切替手段と、を含めて構成してある。さらにここで、当該選択手段の選択が、当該モード切替手段が手動トラッキングモードに切り替えられたときは使用者の選択指令に従って、かつ、当該モード切替手段が自動トラッキングモードに切り替えられたときは予め定めた選択条件の満足に従って被撮像対象をトラッキング対象として選択するように構成してある。

　請求項５の装置によれば、矩形プレパラート内に保持された運動性物体の像が対物レンズを介して撮像装置に撮像される。撮像された物体画像に対してビジュアルフィードバックを行うことによって運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡する。追跡は、制御装置（たとえば、コンピュータ）が可動ステージを制御することによって実現する。ここで、予め定めた基準速度よりも平均相対速度の速い被撮像対象を抽出し、その抽出したトラッキング対象の中から選択してトラッキングするようになっている。トラッキング対象の選択は、使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足（たとえば、最速を選択条件とする）の何れかに係らせる。何れに係るかは、モード切替手段の切り替えによる。すなわち、モード切替手段が手動トラッキングモードに切り替えられたときは使用者の選択指令に基づいてトラッキング対象を選択し、逆に、自動トラッキングモードに切り替えられたときは予め定めた選択条件の満足したものをトラッキング対象として選択する。このようにトラッキングモードの切り替えを可能とすることによって、使用者の目的に合わせた対象選択ができるようになる。また、トラッキング対象の抽出によって、非運動性物体および不要な運動性物体を有効に排除することができる。この排除によって、排除がなければ生じたであろうトラッキング障害を有効排除することができる（第１の課題）。

（請求項６記載の発明の特徴）
　請求項６に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項６の装置」という）では、請求項１乃至５いずれかの装置の好ましい態様として、固定機構を次の構成とした。すなわち、前記固定機構が、前記可動ステージに直接固定する固定部と、当該固定部に支持された矩形フレームと、から構成してあり、当該矩形フレームが、矩形プレパラートの長手方向両端部を下方支持する一対の支持片部を含めて構成してあり、当該支持片部各々には、当該矩形プレパラート両端部各々を受け入れるために上面から垂下する当接面を介して底面に向かって下る一方、当該底面を挟んで対向起立する両側面によって仕切られた段部を形成してある。当該両側面間の距離が当該矩形プレパラートの当該両端部幅方向の位置決めのために当該両端部幅寸法とほぼ同じく、かつ、両当接面間の距離が当該矩形プレパラートの長手方向寸法よりも長く設定してあり、当該支持片部のうち何れか一方には、内部を貫通して当該当接面から突出させたときに載置した矩形プレパラートの端面に当接して他方の当接面との間で当該矩形プレパラートを挟持する少なくとも２個の緩衝ネジを当該支持片部長手方向に離して進退可能に取り付けてある。

　請求項６の装置によれば、請求項１乃至５いずれかの装置における固定部材は、それを部分的に構成する固定部が可動ステージに直接固定され、これによって矩形フレームが間接固定される。矩形プレパラートは矩形フレームに載置され、このとき矩形プレパラートの両端部各々は支持片部各々に形成された段部の底面上に掛け渡し載置される。載置された矩形プレパラートの端部の幅方向は両側面によって挟まれて位置決めされ、同じく長手方向は一方の当接面と緩衝ネジとによって位置決めされる。幅方向位置決めは載置と同時に行われ、長手方向位置決めは緩衝ネジを進出させて矩形プレパラート端面に当接させたときに行われる。可動ステージの発進停止や方向転換に伴う慣性を和らげる機能を持つのが緩衝ネジである。緩衝ネジはプレパラートより柔らかい材質（硬すぎるとプレパラートを破損する恐れあり）で構成され、締められたときに適度に変形してプレパラートと壁面との間、プレパラートとネジとの間、ネジとネジ穴壁面間の摩擦力（垂直抗力）を調節しやすくする効果がある。（第２の課題）。

（請求項７記載の発明の特徴）
　請求項７に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項７の装置」という）では、請求項６の装置の好ましい態様として、前記ネジ部材が、合成樹脂材によって構成してある。

　請求項７の装置によれば、請求項６の装置の緩衝ネジが合成樹脂製であるため、軽量かつ製造が容易である。緩衝効果の度合いも合成樹脂材の選択を適切に行うことによって、緩衝効果の度合いを簡単に調整することができる。

（請求項８記載の発明の特徴）
　請求項８に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項８の装置」という）では、請求項１乃至７いずれかの装置の好ましい態様として、前記可動ステージが、手動ステージの上に設置してあり、当該手動ステージを移動させることによって当該可動ステージを移動させられるように構成してある。

　請求項８の装置によれば、請求項１乃至７いずれかの装置の可動ステージを、手動ステージを手動で動かすことによって移動させることができる。可動ステージと矩形プレパラートとは一体に移動するから、手動ステージを動かすことによって間接的に矩形プレパラートを移動させることができる。つまり、矩形プレパラートに保持させた動かない物体を、あたかも動くように、いわば、擬似的運動性物体を作り出すことができる。このため、トラッキング装置の開発や調整等において、生きている観察対象を用意する必要がなくなり、その分だけ手間やコストを削ることができ、開発や調整等が行い易くなる（第３の課題）。

（請求項９記載の発明の特徴）
　請求項９に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項９の装置」という）では、請求項６の装置の好ましい態様として、前記制御装置が、復帰可能にトラッキング停止できるように構成してある。

　請求項９の装置によれば、請求項８の装置の制御装置をトラッキング停止とすることができるので、第１に何らかの理由によって停止したいときに、第２にトラッキング装置によるトラッキングに替えて手動トラッキングをしたいときに、さらに第３にトラッキング対象を変更したいときに、たいへん便利である。つまり、可動ステージの移動を停止させたまま、手動ステージを動かせば、観察者の意のままのトラッキングを行うことができる（第４の課題）。停止後に再起動させたいときは、トラッキング停止を解除して復帰させればよい。

（請求項１０記載の発明の特徴）
　請求項１０に係るトラッキング装置（以下、適宜「請求項１０の装置」という）では、請求項１乃至９いずれかの装置の好ましい態様として、前記対物レンズが、可変焦点レンズを含めて構成してある。

　請求項１０の装置によれば、請求項１乃至９いずれかの装置の対物レンズを可変焦点レンズとしたので、運動性物体のＺ軸方向（上下方向）の移動に対して容易に追跡することができる。Ｚ軸方向の移動は、同方向に向かう運動性動物の運動の他、矩形プレパラートの上下振動等があるが、いずれにしろ固定焦点レンズに比べより鮮明な画像を得ることができる。三次元トラッキングにおけるＺ軸方向の動きを省略することもできる（第５の課題）。

（請求項１１記載の発明の特徴）
　請求項１１に係るトラッキング顕微鏡（以下、適宜「請求項１２の顕微鏡」という）は、請求項１乃至１０何れかのトラッキング装置を含めて構成してある。

　請求項１１のトラッキング顕微鏡によれば、請求項１乃至１１何れかのトラッキング装置を含めて構成してあるため、各装置の特徴をそのまま生かした顕微鏡とすることができる。すなわち、トラッキング障害や不鮮明画像が発生しづらく、開発・調整が行い易く、観察対象を簡単に変更でき、さらに、複雑化することなく三次元トラッキングを可能とすることができる。

（請求項１２記載の発明の特徴）
　請求項１２に係るトラッキング顕微鏡（以下、適宜「請求項１２の方法」という）は、プレパラートに保持された運動性物体の撮像画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するトラッキング方法である。具体的には、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する個々の相対移動を検出する検出手順と、当該検出手順で相対移動が検出された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手順と、当該対象抽出手によって抽出され表示手段に表示されたトラッキング対象候補の中から使用者が選択した被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手順と、を有する。

　請求項１２の方法によれば、プレパラート内に保持された運動性物体（被撮像対象）を連続的に撮像して、それらのプレパラートに対する平均相対速度を算出する。プレパラートに対する相対速度がゼロであればプレパラートに対して動いていないのであるから、それは運動性物体ではないと判断してトラッキング対象から外される。トラッキング対象の選択は、表示手段を見ながら使用者が行う。撮像画像には多数の運動性物体とともに非運動性物体が含まれることが通常であり、その中からトラッキング対象を選択する。この選択によって、非運動性物体および不要な運動性物体を排除することができる。この排除によって、排除がなければ生じたであろうトラッキング障害を有効排除することができる（第１の課題）。

（請求項１３記載の発明の特徴）
　請求項１３に係るトラッキング顕微鏡（以下、適宜「請求項１３の方法」という）は、請求項１２の方法を前提として、前記対象抽出手順では、トラッキング対象候補とした被撮像対象各々の座標を示す対象座標を把握し、前記選択手順では、当該表示手段上において使用者が選択したポイントの座標を示すポイント座標を把握し、当該ポイント座標を把握した時点で当該ポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する。

　請求項１３の方法によれば、請求項１２の方法の作用効果に加え、選択手順において、トラッキング対象候補とした被撮像対象各々の座標とポイント座標とが比較されポイント座標が把握された時点でポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象がトラッキング対象として選択される。トラッキング候補とされた被撮像対象各々は、プレパラートに対して相対運動しているため、使用者の選択は必ずしも容易でない場合がある。使用者は狙いをつけた被撮像対象を選択しようとするがタイミングが合わない場合もある。そのような場合に、ポイント座標に直近の被撮像対象をトラッキング対象とすることによって、トラッキング障害を有効に抑制することができる（第１の課題）。使用者が選択しようとした被撮像対象とは異なる被撮像対象がトラッキング対象となってしまったとき、すなわち、選択しようとした被撮像対象よりも異なる被撮像対象のほうが選択ポイントに近かったとき使用者は、そのままでよければそのままトラッキングを続けることもできるが、選択作業をやり直して選択しようとした被撮像対象をトラッキングさせることもできる。

（請求項１４記載の発明の特徴）
　請求項１４に係るトラッキング方法（以下、適宜「請求項１４の方法」という）は、プレパラートに保持された運動性物体の撮像画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するトラッキング方法である。具体的には、算出手順、判定手順、対象抽出、そして選択手順を経てトラッキングを行う。算出手順は、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する平均相対速度を算出する手順である。判定手順は、当該算出手順で算出した被撮像対象の平均相対速度を、予め定めた基準速度と比較して遅速を判定する手順である。対象抽出手順は、当該判定手段によって当該平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する手順である。最後に、選択手順は、当該対象抽出手によって抽出されたトラッキング対象候補の中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する手順である。

　請求項１４の方法によれば、プレパラート内に保持された運動性物体（被撮像対象）を連続的に撮像して、それらのプレパラートに対する平均相対速度を算出する。平均相対速度がゼロであればプレパラートに対して動いていない（基準速度よりも遅い）のであるから、それは運動性物体ではないと判断してトラッキング対象から外される。さらに、その平均相対速度が基準速度よりも遅い被撮像対象も、トラッキング対象から外される。残るのは、基準速度を超える被撮像対象であるから、これらを抽出して、その中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係るものをトラッキング対象としてトラッキングを行う。

　本発明によれば、トラッキング障害や不鮮明画像が発生しづらく、開発・調整が行い易く、観察対象を簡単に変更でき、さらに、複雑化することなく三次元トラッキングを可能とするトラッキング装置、トラッキング顕微鏡並びにトラッキング方法を提供することができる。

トラッキング顕微鏡の正面図である。 制御装置の構造を示すブロック図である。 トラッキング候補リストを示す図である。 固定機構の斜視図である。 固定機構の平面図である。 図５に示す固定機構の正面図である。 トラッキング顕微鏡の動作を示すフローチャートである。 可変焦点レンズの縦断面図である。 図８に示す縦断面図の部分拡大図である。 、可変焦点レンズを製造方法を示すフローチャートである。

　以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、適宜「本実施形態」という）について説明する。

（トラッキング顕微鏡の構造）
　図１に示すのは、本実施形態に係るトラッキング装置を備えたトラッキング顕微鏡（トラッキング顕微鏡、培養顕微鏡）である。トラッキング顕微鏡１（以下、単に「顕微鏡１」という）は、顕微鏡本体３と、トラッキング装置２１と、から概ね構成してある。顕微鏡本体３は、最下端に位置する脚部５と、脚部５の上部から起立し上端部が屈曲して前方（図１の手前方向）に迫り出す逆Ｌ字状のアーム部７と、光源であるランプ９と、ランプ９の光を集光する集光レンズ１１と、から概略構成してある。トラッキング装置２１については、次項で述べる。

（トラッキング装置の構造）
　トラッキング装置２１は、対物レンズ２３、撮像装置２５、可動ステージ３１、手動ステージ５１及び制御装置８１から概ね構成してある。対物レンズ２３は、倍率の異なる複数のレンズを交換できるようにリボルバー式になっていて、集光レンズ１１の上方領域に（被撮像物体と対向する位置に）に位置するようにアーム部７の下端に取り付けてある。撮像装置２５は、対物レンズ２３を介して結像された像を撮像するためのものであって、アーム部７の頂部に取り付けてある。撮像装置２５には、たとえば、「プロファイルイメージャ（商標）」（浜松ホトニクス社製）と呼ばれるＣＭＯＳイメージャ等が好適である。上記ＣＭＯＳイメージャの最大フレームレートは２，４２１frames/sである。撮像装置２５によって撮像された画像は１２ビットＡＤコンバータでディジタル変換され８ビット画像として制御装置８１に送られるようにしてある。モニタリングと画像データの取得のために、高速カメラによる同時撮像を行うとよい。

　可動ステージ３１は、ステージ部二次元移動が可能なＸＹステージを採用した。可動ステージ３１は、ステージ部３３と、ステージ部３３を駆動する駆動部３５とから構成してあり、駆動部３５は、制御装置で６１として機能するパーソナルコンピュータによって制御するようにしてある。可動ステージ３１は、その全体を手動ステージ５１の上に設置してあり、手動ステージ５１を手動制御することによって可動ステージ３１そのものを二次元的に移動させられるようにしてある。

（制御装置の構造）
　図２を参照しながら、制御装置の構造について説明する。制御装置６１は、画像入力部６３、画像前処理部６５、画像蓄積部６７、平均相対速度算出部６９、速度判定部７１、トラッキング候補リスト生成部７３、トラッキング対象選択部７５、制御司令部７７およびデータ記憶部７９、及びステージ制御部８１から概ね構成してある。画像入力部６３は、撮像装置２５が撮像した画像データを取り込んで画像前処理部６５に入力する機能を備えている。なお、本実施形態の制御装置６１は、上述したハードウェアによって構成するものの他、汎用のパーソナルコンピュータ（図示を省略）上で動作する各種ソフトウェアの起動により実現するものであってもよい。

　画像前処理部６３は、取り込んだ画像から固定パターンノイズを除去し、除去後の画像は画像蓄積部６７に蓄積される。一方、ノイズ除去後の画像は平均相対速度算出部６９に送られる。平均相対速度算出部６９は、予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける（一定時間撮像範囲内に存する）被撮像対象について、当該プレパラートに対する平均相対速度を算出する算出手段として機能する。算出した平均相対速度データは、異なる被撮像対象毎にデータ記憶部７９に記憶されるとともに、判定手段である速度判定部７１に送られる。速度判定部７１では、データ記憶部７９に記憶させてある基準速度（使用者が予め設定しておく）と比較して物体の平均相対速度の基準速度に対する遅速が判定される。速度判定部７１が平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断した当該被撮像対象のデータ（対象データ）群が抽出され、これらのデータは、対象抽出手段として機能するトラッキング候補リスト生成部７３に送られる。トラッキング候補リスト生成部７３は、送られた対象データ群をトラッキング候補リスト８５（図３参照）の中に対象コードと関連付けて検索可能に記入する。本実施形態では、以上の処理を１秒間に１０００回の割合で繰り返し行っている。トラッキング候補リスト８５には、抽出された被撮像対象のそれぞれについて、対象を識別するための対象コード、プレパラート１５を基準とした対象位置を示す座標、及び、基準速度よりどれだけ速いかを示す比基準速度の三者を少なくとも示すようにするとよい。トラッキング候補リスト８５は、データ記憶部７９に記憶されるとともに、使用者が視認できるように表示装置２７に表示されるようにしてある。

　平均相対速度が基準速度よりも遅い被撮像対象のデータはデータ記憶部７９に記憶させた後に削除され、トラッキング候補リスト生成部７３には送られない。ここで、基準速度を定め、これとの比較で平均相対速度の遅速を判定するようにしたのは、平均相対速度が基準速度よりも速いということは、その活発性を示しており、活発性ある運動性物体は健康であって被撮像対象に最も適合していると考えたからである。基準速度を下回る被撮像対象には、運動してはいるが活発ではない運動性物体と、全く動かない非運動性物体（たとえば、塵埃やプレパラートに付着した微生物）の双方が含まれるが、いずれもトラッキング対象として相応しくないので、トラッキング候補から外すようになっている。

　選択手段となるトラッキング対象選択部７５は、入力部２９を介して入力された選択指令を受け、その選択指令に対応する被撮像対象をトラッキング候補の中から選択し、制御指令部７７にその選択対象を伝達する。伝達を受けた制御指令部７７は、受けた伝達に応じた制御指令をステージ制御部８１に送信する。選択指令は、使用者が表示装置２７を見ながら入力部２９を操作して行う。本実施形態では、この使用者の操作による選択を、手動トラッキングモードによる選択という。一方、本実施形態では、手動トラッキングモードに対応する自動トラッキングモードを併せて設けてある。手動トラッキングモードと自動トラッキングモードの切り替えは、入力部２９を介して行う。すなわち、入力部２９は、モード切替手段としての役割をも担っている。

　自動トラッキングモードに切り替えられたときのトラッキング対象選択部７５は、データ記憶部７９に記憶させてある選択条件（使用者が予め設定しておく）を読み出して、その選択条件とトラッキング候補リスト８５に列挙された速度データとを照らし合わせてトラッキング対象を選択する。たとえば、比基準速度が最大である運動性物体や、基準速度とは別に定めた基準最高速度以下の速度で運動する運動性物体を、選択条件を満たしたものとすることができる。

　手動トラッキングモード若しくは自動トラッキングモードにおいて選択された被撮像対象（トラッキング対象）を、撮像してその画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡する。これを実現するためにステージ制御部８１が可動ステージ３１の駆動部３５を制御する。なお、制御指令部７７は、上述したようにステージ制御部８１に指令を送信するとともに、入力部２９を介した入力に応じた状態遷移の管理を行うようになっている。

（プレパラートの固定具の構造）
　図４乃至６を参照しながら、プレパラート１５を可動ステージ３１に固定するために固定機構３７について説明する。固定機構３７は、前記可動ステージ３１に直接固定する固定部３９と、固定部３９に支持された矩形フレーム４１と、から構成してある。本実施形態で採用した固定機構３７は、１１８ｍｍ×５４ｍｍ×４ｍｍのアルミニウム板を切削して形成したため、固定部３９と矩形フレーム４１とが製作時から一体化されているが、別々に製作された両者が何らかの固定手段によって固定されることによって後発的に一体化されたものも、固定機構３７として使用することができる。上記アルミニウム板の寸法は、７２ｍｍ×２２ｍｍ×？？ｍｍの一般的なプレパラートの寸法を基準にしてそれを保持するために充分な余裕を持たせるために選択した寸法であるが、本発明の目的を達成しうる範囲で異なる寸法を採用できることは言うまでもない。これと同様に、アルミニウム板以外の金属板や合成樹脂板のような他の素材によって構成された板、ならびに金属と合成樹脂のように異なる素材を組み合わせてなる板、さらには、板状以外の形状の部材をも採用可能である。

　固定部３９の説明に戻る。固定部３９の開放側端部には、複数（ここでは４個）のネジ孔３９ｈ，３９ｈ，．．を貫通形成してあり、これらに通した固定ネジ３９ｎ，３９ｎ，．．（図４参照）によって固定機構３７全体を可動ステージ３１に固定できるようにしてある。比率に一切の制限はないが本実施形態に係る固定部３９は、固定機構３７の長手方向（図５の左右方向）の略３分の２の長さを占め、残りの３分の２は矩形フレーム４１によって占められている。矩形フレーム４１は、開放端側に位置する支持片部４２と、支持片部４２と対向して対をなす支持片部４３と、支持片部４２と支持片部４３とを連結する側片部４６，４６とによって矩形の４辺が構成される。この４辺に囲まれた矩形開口４１ｈの長手寸法はプレパラート１５の長手寸法Ｌ（図４参照）よりも短く形成してあり、幅寸法は同じく幅寸法Ｗよりも長く形成してある。長手寸法を短く形成したのは、図４に示すように、プレパラート１５の両端を、後述する段部４４，４５に掛け渡して下方支持させられるようにするためである。幅寸法を長く形成した主たる理由は、段部４４，４５を形成するための幅寸法の確保にある。

　支持片部４２の長手方向（図５の上下方向）の略中央には、段部４４を形成してある。段部４４は、矩形開口４１ｈ方向に開口しており、支持片部４２の上面４２ａから垂下する当接面４２ｂを介して底面４２ｃに向かって下る一方、底面４２ｃを挟んで対向起立する両側面４２ｄ，４２ｄによって仕切られている（図５、６参照）。図５に示す両側面４２ｄ，４２ｄ間の距離Ｌ１はプレパラート１５の両端部幅寸法Ｗとほぼ同じか僅かに長い寸法（Ｌ１≧Ｗ）に設定してある。底面４２ｃ上に載置したプレパラート１５の両端部を挟持若しくは遊びなく受け入れて幅方向位置決めを簡単に行えるようにするためである。両当接面４２ｂ，４３ｂ間の距離Ｌ２はプレパラートの長手方向寸法Ｌよりも長い寸法（Ｌ２＞Ｌ）に設定してある。

　一方、支持片部４２と対向する支持片部４３の長手方向（図５の上下方向）の略中央には、段部４５を形成してある。段部４５も段部４４と同様に矩形開口４１ｈ方向に開口しており、支持片部４３の上面４３ａから垂下する当接面４３ｂを介して底面４３ｃに向かって下る一方、底面４３ｃを挟んで対向起立する両側面４３ｄ，４３ｄによって仕切られている（図５、６参照）。図５に示すように、両側面４３ｄ，４３ｄ間の距離は、プレパラート１５の両端部幅寸法Ｗとほぼ同じか僅かに長い寸法（Ｌ１≧Ｗ）、すなわち、Ｌ１に等しい寸法に設定してある。段部４４と同様に、底面４３ｃ上に載置したプレパラート１５の両端部の幅方向位置決めを簡単に行えるようにするためである。両当接面４２ｂ，４３ｂ間の距離Ｌ２はプレパラートの長手方向寸法Ｌよりも長い寸法（Ｌ２＞Ｌ）に設定してあることは上述したが、この余剰寸法は、その分を後述する緩衝ネジの突出を許容するためである。

　支持片部４２には、ネジ孔４２ｈ，４２ｈを幅方向に貫通形成してある。ネジ孔４２ｈ，４２ｈは、緩衝ネジ４８，４８を支持片部４２の内部を貫通させ当接面４２ｂから進退可能に突出させるための孔である。緩衝ネジ４８，４８は、突出させたときに底面４２ｃ上に載置された矩形プレパラート１５の端面に当接して他方の当接面４３ｂとの間で矩形プレパラート１５を挟持させるためのものである。緩衝ネジは、少なくとも２個は必要であり、それらは、支持片部４２の長手方向に所定間隔離して取り付けてある。緩衝ネジ４８，４８は、可動ステージ３１の発進停止や方向転換に伴う慣性を、その弾性変形によって和らげる機能を持っている。さらに、端面との当接による摩擦力によって矩形プレパラート１５の厚み方向のズレを防止する機能も緩衝ネジ４８，４８は併せ持っている。これらの機能が総じて矩形プレパラートの上下振動を抑制して対物レンズの被写界深度を超えさせないようにする。このような緩衝部材としての機能を効率よく発揮させるために、緩衝ネジ４８，４８は、これらを合成樹脂材によって構成することが好ましい。なお、図４及び５に示すように、支持片部４３の側部には切欠４３ｃを形成してある。切欠４３ｃは、緩衝ネジ４９を横方向から差し入れるためのものであって、差し入れた緩衝ネジ４９の先端はネジ孔４３ｈを抜けて側面４３ｄから進退可能に突出するようになっている。緩衝ネジ４９の突出は、その先端を載置されたプレパラート１５の端面に当接させ、当接による摩擦力によって矩形プレパラート１５の厚み方向のズレを防止するためである。緩衝ネジ４９は、必ずしも必須ではなく省略も可能であるが、設けることによって緩衝ネジ４８，４８の機能を補助する機能が期待できる。なお、緩衝ネジ４９以外の緩衝ネジを設けることを妨げない。図示はしないが、プレパラート１５の上面を覆う部位を形成し、その部位を貫通して同上面にと当接する緩衝ネジを設けることが考えられる。

（トラッキング装置の動作手順）
　図１、２及び７を参照しながら、トラッキング装置の動作手順（トラッキング方法）について説明する。撮像装置２５によって撮像された画像データは、画像入力部６３によって取り込まれ（Ｓ１）、画像前処理部６５によって前処理される（Ｓ３）。前処理された画像データは画像蓄積部６７に送られるとともに、平均相対速度算出部６９に送られる（Ｓ４）平均相対速度算出部６９は、送られた画像データの中から所定時間継続して撮像されている撮像対象を特定する（Ｓ５）。すなわち、当初は存在したが途中から撮像範囲外へ出たもの、ある時点から撮像範囲に入ったが所定時間を経過していないもの、は特定外となる。このようにして特定された被撮像対象について、平均相対速度算出部６９はそれらの被撮像対象各々について平均相対速度を検出して（検出手順）データ記憶部７９及び速度判定部へ送る（Ｓ７）。速度判定部７１は、データ記憶部７９から基準速度を読み出し（Ｓ９）、読み出した基準速度と送られた平均相対速度各々とを比較してそれらの遅速を判定する。ここでは、基準速度よりも平均相対速度が速い被撮像対象をトラッキング対象候補とし、これに係る画像データのみを抽出し（対象抽出手順）、プレパラート１５を基準とした位置座標（これを「対象座標」という）を把握する。把握した対象座標及び基準速度よりどれだけ速いかを示す比基準速度とともにデータ記憶部７９及びトラッキング候補リスト生成部７３に送る（Ｓ１１）。つまり、基準速度よりも遅い平均相対速度（停止状態のものも含まれる）に係る被撮像対象は、ここで排除される。

　トラッキング候補リスト生成部７３は、速度判定部７１から送られた画像データ、位置座標及び比基準速度に基づいてトラッキング候補リスト８５（図３参照）を生成する（Ｓ１３）。作成されたトラッキング候補リスト８５のデータはデータ記憶部７９に記憶され（Ｓ１４）、また同時に、表示装置２７に表示される（Ｓ１５）。表示装置２７に表示させるのは、使用者が被撮像対象の特定を行えるようにするためである。

　トラッキング対象選択部７５は、手動トラッキングモードなのか自動トラッキングモードなのかを確認し、手動トラッキングモードに切り替えられているときはＳ１９へ進み、自動トラッキングモードに切り替えられているときはＳ４１へ進む（Ｓ１７）。Ｓ１９において、選択指令を待ち選択指令があったときは、その選択指令に係る被撮像対象を選択し（選択手順）トラッキング制御部７７に伝達する（Ｓ２１）。伝達を受けたトラッキング制御部７７は、選択された被撮像対象をトラッキングさせるための指令を可動ステージ３１（駆動部３５）に送り、ビジュアルフィードバックによる二次元的トラッキングを行わせる（Ｓ２３）。上記選択手順では、表示手段として機能する表示部２７上において使用者が選択したポイントの座標を示すポイント座標を把握し、当該ポイント座標を把握した時点で当該ポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する。トラッキング途中で被撮像対象を見失わない限り、そのままトラッキングを続け（Ｓ２５）、終了の指示を受けたところでトラッキングを終了する（Ｓ２７）。終了の指示は、入力部２９からの終了指令による。Ｓ２５に戻りトラッキング途中で被撮像対象を見失ったときはＳ１９へ戻り、新たな被撮像対象の選択を待つ。

　Ｓ１７に戻り、自動トラッキングモードに切り替えられていたときのトラッキング対象選択部７５は、データ記憶部７９から選択条件を読み出し（Ｓ４１）、その読み出した選択条件をトラッキング候補リストに列記されたトラッキング候補各々の比基準速度に照らし合わせ、選択条件に最適なトラッキング対象を選択しトラッキング制御部７７に伝達する（Ｓ４３）。トラッキング制御部７７は、トラッキング途中で被撮像対象を見失わない限り、そのままトラッキングを続け（Ｓ４５、Ｓ４７、終了の指示を受けたところでトラッキングを終了する（Ｓ２７）。終了の指示は、入力部２９からの終了指令による。Ｓ４７に戻りトラッキング途中で被撮像対象を見失ったときはＳ４１へ戻り、新たな被撮像対象の選択を待つ。なお、手動であると自動であるとに関わらず、上記トラッキングは二次元トラッキングを前提としているが、三次元トラッキングトラッキングとしてもよいことは言うまでもない。

（本実施形態の変形例）
　図８乃至１０を参照しながら、本実施形態の変形例（以下、「本変形例」という）について説明する。本変形例では、図８及び９を参照しながら、本実施形態の対物レンズ２３の変形例を示す。

　可変焦点レンズ９１は、収容部９４と、駆動部１０１と、第１媒質１０３と、第２媒質１０４と、制御部１０５と、駆動ステージ１０６と、を備えている。収容部９４は、収容空間９５と、第１壁部９６と、第２壁部１３と、仕切部９８を備えている。

　収容空間９５は、第１壁部９６と第２壁部１３との間に配置されている。さらに、第１壁部９６と第２壁部１３とは、収容空間９５を挟んで対向するように配置してある。

　第１壁部９６は、光を透過させる第１窓部９６ａを備えている。第２壁部１３は、第１窓部９６ａを透過した光をさらに透過させる第２窓部９７ａを備えている。第１窓部９６ａ及び第２窓部９７ａは、例えば、第１壁部９６及び第２壁部１３に貫通孔を形成した後、この部分に透明なガラスをはめ込むことにより構成することができる。

　仕切部９８は、収容空間９５を仕切ることで、第１空間９５ａと第２空間９５ｂとを形成する構成となっている。仕切部９８は、本変形例では、平板状に構成されている。仕切部９８は、第１表面９８ａと、貫通孔９８ｂとを備えている。本変形例では、仕切部９８の上面（図８参照）が第１表面９８ａを構成している。これにより、第１表面９８ａは、仕切部９８の表面における少なくとも一部を構成するものとなっている。

　第１表面９８ａは、一つの仮想的な平坦面内に配置されている。すなわち、第１表面９８ａは、一つの仮想的な平坦面の一部をなす形状となっている。図８では、第１表面９８ａが、仕切部９８の上面総てと一致している。しかしながら、後述するように、第１表面９８ａは、貫通孔９８ｂの周囲のみに存在すればよく、その面積はごく微少であっても良い。

　貫通孔９８ｂは、第１表面９８ａを貫通し、かつ、仕切部９８を貫通するように形成してある。貫通孔９８ｂは、横断面において円形となる円筒形状に形成してある。貫通孔９８ｂの大きさは、用途に応じて適宜に設定できる。本実施形態では、貫通孔９８ｂとして、直径３．０００±０．０００１ｍｍ程度の大きさ及び加工誤差を想定しているが、これはあくまで一例である。また、貫通孔９８ｂをアレイ状に多数形成することも可能であるが、本変形例では一つの貫通孔９８ｂについて説明する。

　貫通孔９８ｂは、第１窓部９６ａを透過した光が第２窓部９７ａに向かう光路上に配置されている（図８参照）。貫通孔９８ｂは、第１窓部９６ａを透過させる構成となっている。貫通孔９８ｂの開口端を構成する周縁部９８ｃは、第１表面９８ａの端部に配置してある。具体的には、本変形例においては、周縁部９８ｃは、第１表面９８ａと、貫通孔９８ｂの内周面との交線によって構成してある。周縁部９８ｃの形状は、一般的には真円であることが好ましいが、必要となるレンズの形状に応じて、例えば楕円形とすることも原理的には可能である。

　第１媒質１０３と第２媒質１０４とは、接触状態において互いに混合しない材質にしてある。第１媒質１０３と第２媒質１０４の屈折率は、互いに異なるものにしてある。このような媒質の組み合わせは、適宜選択しうるが、例えば、ＰＤＭＳ（Poly-Dimethyl-Siloxane）と純水の組み合わせを用いることができる。屈折率はそれぞれ1.40と1.33である。どちらを第１媒質１０３としてもよい。

　この明細書の説明では、特に説明がない限り、第１媒質１０３の屈折率（ｎ１）よりも第２媒質１０４の屈折率（ｎ２）が小さい（つまりｎ１＞ｎ２である）と仮定する。ただし、屈折率の大小関係を、これとは逆にすることは可能である。

　この例では、第１媒質１０３及び第２媒質１０４として液体が用いられている。ただし、これらの媒質としては、液体以外に、ゾル状、ゲル状、弾性体などの状態であることも可能である。要するに、媒質としては、駆動部１０１から受けた押圧カの変化を、両媒質間の界面に作用させて、この界面の形状を変化させることができるものであればよい。

　第１媒質１０３は、第１空間９５ａ中に収容されている。同様に、第２媒質１０４は、第２空間９５ｂ中に収容されている。もちろん、第２媒質１０４を第１空間９５ａに収容することも可能であるが、説明の便宜上、本明細書では、第１空間９５ａに収容される媒質を第１媒質と名付けている。

　収容空間９５に収容された状態においては、第１媒質１０３と第２媒質１０４とは、互いに接触させてある。この接触状態における、第１媒質１０３と第２媒質１０４との間における界面１０７の外周は、貫通孔９８ｂにおける周縁部９８ｃに位置している（図３参照）。

　また、第１媒質１０３の密度と、第２媒質１０４の密度とは、実質的に等しいものにしてある。駆動部１０１は、第１媒質１０３又は第２媒質１０４の圧カ又は体積を変動させることにより、界面１０７の曲率を変化させる構成にしてある。

　本変形例では、駆動部１０１は、積層構造のピエゾ素子１０２を主体として構成してある。ピエゾ素子は、印加電圧に応じて形状を変化させる圧電素子である。交流電圧を印加することにより、ピエゾ素子の形状を周期的に伸縮させることができる。このような駆動部１０１の構成は、前記した非特許文献６及び７に示されているものと墓本的に同様でよいので、詳しい説明は省略する。

　また、この本変形例では、駆動部１０１は、第１媒質１０３に対して、周期的な圧カ変動を加える構成となっている。もちろん、第２媒質１０４に対して圧カ変動を加える構成とすることも可能である。

　制御部１０５は、駆動信号を駆動部１０１に送ることによって、駆動部１０１の動作を制御する構成となっている。制御部１０５における駆動信号は、予め入力されたデータに従って生成されても良いし、レンズにより得られた像の解析に基づいて動的に生成されても良い。

　駆動ステージ１０６は、第１媒質１０３に対する駆動部１０１の位置あるいは姿勢を調整するための機構である。このような駆動ステージ１０６は、例えば、駆動部１０１を固定するテーブルと、このテーブルを３次元方向に位置決めできるアクチュエータ（いずれも図示せず）によって容易に構成することができるので、詳しい説明は省略する。

（本実施形態の可変焦点レンズの製造方法）
　次に、本実施形態に係る可変焦点レンズ９１を製造する方法の概要を、図１０に示すフローチャートに基づいて説明する。

（ステップＳＡ－１）
　まず、平板状の仕切部９８を用意する。ついで、この仕切部９８の表面を平坦面に加工する。表面の平坦度は、高い方が好ましい。平坦度を上げる方法としては、例えば、半導体墓板を製造する際に用いられるポリッシング加工がある。つまり、平坦度を上げる方法は、半導体製造プロセスなどの技術において確立されているので、それを用いれば、比較的に容易に、高い平坦度を達成することができる。

　本変形例では、このように形成された平坦面を、仕切部９８における第１表面９８ａとすることができる。本変形例では、第１表面９８ａを平坦面としたので、高い加工精度（つまり高い平坦度）の第１表面９８ａを、比較的容易に得ることができる。

（ステップＳＡ－２）
　ついで、仕切部９８に対して穴開けを行い、貫通孔９８ｂを形成する。穴開けの具体的方法としては、例えばフォトリソグラフィを用いたエッチング加工がある。この加工方法の一例を以下に示す。

　この方法では、まず、基板（例えばＳｉ基板）の表面に、マスク部（例えばＳｉＯ_２膜）を形成する（図示せず）。ついで、マスク部の表面にフォトレジスト（感光剤）を塗布した後、フォトレジストを所定のパターンで感光させる。その後、感光したフォトレジスト（あるいは逆に感光していないフォトレジスト）を除去する。その後、フォトレジストに転写されたパターンに基づいて、マスク部をエッチングで除去する。さらに、マスク部が除去された部分における基板をエッチングで除去する。このようにして、貫通孔９８ｂを形成することができる。

　本実施形態では、仕切部９８に対して第１表面９８ａを形成し、これを貫通するように貫通孔９８ｂを形成する。このため、この技術では、貫通孔９８ｂを形成するために、フォトリソグラフィのような、高い加工精度を得られる技術を適用することができる。すなわち、本実施形態によれば、貫通孔９８ｂの加工精度をきわめて高くすることができる。

　従来の技術（非特許文献６及び７）に記載のものでは、既に述べたように、貫通孔の周縁部近傍が傾斜面（円錐面）となっている。このため、従来の技術では、フォトリソグラフィのようなＭＥＭＳ技術を用いて貫通孔を形成することが難しく、貫通孔周縁部の加工精度が低くなりやすいという間題があった。貫通孔の周縁部の形状における寸法誤差は、得られるレンズ面の精度に影響するため、従来のレンズでは、解像度の向上が困難であった。

　これに対して、本実施形態の技術では、仕切部９８に平坦な第１表面９８ａを形成し、これを貫通するように貫通孔９８ｂを形成したので、貫通孔９８ｂの加工精度を高くすることができる。このため、この技術では、貫通孔工４２の周縁部９８ｃの寸法精度を高くすることが容易になる。

　よって、本実施形態の可変焦点レンズ９１によれば、界面１０７によって形成されるレンズ面を精度良く形成することができる。このため、この可変焦点レンズ９１によれば、レンズの解像度を向上させることができるという利点がある。

　なお、以上において説明した動作に鑑みると、第１表面９８ａは、周縁部９８ｃを構成することに寄与していればよい。つまり、第１表面９８ａは、周縁部９８ｃの構成に寄与しない部分においては、平坦でない形状に加工されても良い。例えば、第１表面９８ａを平坦に加工した後、他の形状に加工することも可能である。また、第１表面９８ａの上に他の部材を積層することも可能である。

（ステップＳＡ－３）
　ついで、仕切部９８を、収容部９４における収容区間１１に取り付け（図２参照）、これによって、第１空間９５ａと第２空間９５ｂとを形成する。その後、まず、第１空間９５ａに、第１媒質１０３を充填する。すると、第１媒質１０３の液面が徐々に上昇し、貫通孔９８ｂの内側に達する。貫通孔９８ｂの内側においても、液面はさらに上昇して、周縁部９８ｃに達する。作業者は、液面が上昇する間、特に、貫通孔９８ｂの内側に達した後は、第１媒質１０３の液面で反射される光学像を観察する。

（ステップＳＡ－４）
　そして、第１媒質１０３の液面で反射される光学像の倍率が大きく変化した時点で、液面が周縁部９８ｃに到達したと判断する。その時点で、第１媒質１０３の充填を停止する。

　一般に、第１媒質１０３が貫通孔９８ｂの内側において上昇する場合、その液面の形状は、貫通孔内周面と第１媒質１０３とで決定される接触角によって規定される。このため、基本的には、液面での反射により観察される光学像は変化しない。

　しかし、一旦、液面が周縁部９８ｃに達すると、液面外周の位置は、周縁部９８ｃに固定される。この状態で液面が上昇すると、液面の曲率が大きく変化する。例えば、凹面状であった液面が、凸面状に変化する。すると、液面における反射像の倍率が大きく変化し、観察者に視認される。もちろん、この視認は、直接肉眼によることも可能であるが、レンズが微少である場合は、顕微鏡を介して行うことができる。

　したがって、反射像の倍率が大きく変化で、第１媒質１０３の充填を停止すれば、液面外周の位置を、周縁部９８ｃに撃実に一致させることができる。よって、この点からも、周縁部９８ｃによって規定されるレンズ形状の精度を高めることができるという利点がある。

（ステップＳＡ－５）
　ついで、第２媒質１０４を、第２空間９５ｂに充填する。これにより、第２媒質１０４を、第１媒質１０３の上部に接触した状態で配置することができる。この状態では、第１媒質１０３と第２媒質１０４との接触部分に界面１０７（図８参照）が形成される。その後、駆動部１０１を収容部９４に取り付けることにより、可変焦点レンズを得ることができる。前記以外の具体的な製造方法は、非特許文献６及び７に記載の技術と同様でよいので、これ以上詳しい説明は省略する。

（可変焦点レンズの動作）
　次に、本実施形態に係る可変焦点レンズの動作を説明する。初期状態において、界面１０７でのレンズ作用による焦点の位置を、図２において符号Ｆで表す。

　ついで、駆動部１０１を駆動することにより、第１媒質１０３を押圧して、界面１０７を上方に突出させる。すると、界面４０の周囲が、貫通孔９８ｂの周縁部９８ｃに接触したままの状態で、界面１０７が、図２において上方に膨出する（図２において破線で示す）。これにより、界面１０７でのレンズ作用による焦点の位置は、図２において符号Ｆ’で示される位置に変化する。本変形例によれば、このようにして、可変焦点レンズを得ることができる。

　本変形例のレンズでは、界面１０７の形状、すなわちレンズ面の形状を、きわめて高精度とすることができるので、可変焦点レンズでありながら、高い解像度を得ることができるという利点がある。

　第１媒質１０３への押圧を解除することにより、焦点の位置を初期状態に復帰させることができる。もちろん、第１媒質１０３への押圧量を調整することにより、焦点距離を適宜に調整することができる。

　本変形例では、駆動部１０１としてピエゾ素子を用いているので、例えば１ｋＨｚ程度の高い周波数で、焦点距離を変化させることが可能である。

　また、本変形例では、第１媒質１０３及び第２媒質１０４として、液体を用いているので、媒質そのものの圧縮量が小さい。このため、第１媒質１０３への押圧カを直ちに第２媒質１０４に伝達することができる。この点からも、本実施形態のレンズでは、高い動作周波数を達成することができる。

　さらに、本変形例では、第１媒質１０３の密度と、第２媒質１０４の密度とを実質的に一致させている。両媒質の密度が異なると、レンズの姿勢が変化した場合（例えばレンズの天地方向が反転した場合）には、重力の影響により、界面１０７の形状が変化する。例えば、界面形状に偏りが生じて偏心するというような現象を生じる。これに対して、本実施形態では、両媒質の密度を一致させているので、このような場合でも、界面１０７の形状が変化しないという利点がある。

　　　１　　　トラッキング顕微鏡
　　　３　　　顕微鏡本体
　　　５　　　脚部
　　　７　　　アーム部
　　　９　　　ランプ
　　１１　　　集光レンズ
　　１５　　　プレパラート
　　１７　　　高速カメラ
　　２１　　　トラッキング装置
　　２３　　　対物レンズ
　　２５　　　撮像装置
　　２７　　　表示部
　　２９　　　入力部
　　３１　　　可動ステージ
　　３３　　　ステージ部
　　３５　　　駆動部
　　３７　　　固定機構
　　３９　　　固定部
　　３９ａ　　ネジ
　　３９ｈ　　ネジ孔
　　４１　　　矩形フレーム
　　４１ｈ　　矩形開口
　　４２　　　支持片部
　　４３　　　支持片部
　　４３ｃ　　切欠
　　４４　　　段部
　　４５　　　段部
　　４６　　　側片部
　　４８　　　ネジ
　　４９　　　ネジ
　　５１　　　手動ステージ
　　６１　　　制御装置
　　６３　　　画像入力部
　　６５　　　画像前処理部
　　６７　　　画像蓄積部
　　６９　　　平均相対速度算出部
　　７１　　　速度比較部
　　７３　　　トラッキング候補リスト生成部
　　７５　　　トラッキング対象選択部
　　７７　　　トラッキング制御部
　　７９　　　データ記憶部
　　８１　　　ステージ制御部
　　８５　　　トラッキング候補リスト
　　９１　　　可変焦点レンズ
　　９４　　　収容部
　　９５　　　収容空間
　　９５ａ　　第１空間
　　９５ｂ　　第２空間
　　９６　　　第１壁部
　　９６ａ　　第１窓部
　　９７　　　第２壁部
　　９７ａ　　第２窓部
　　９８　　　仕切部
　　９８ａ　　第１表面
　　９８ｂ　　貫通孔
　　９８ｃ　　周縁部
　１０１　　　駆動部
　１０２　　　ペエゾ素子
　１０３　　　第１媒質
　１０４　　　第２媒質
　１０５　　　制御部
　１０６　　　駆動ステージ
　１０７　　　界面

Claims (14)

1. 　運動性物体を保持する矩形プレパラートと、
   　当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、
   　当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、
   　当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、
   　当該撮像装置が撮像した運動性物体の像を可視表示する表示装置と、
   　当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、
   　を備えるトラッキング装置において、
   　当該制御装置が、
   　予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、
   　当該プレパラートに対する個々の相対移動を検出する検出手段と、
   　当該検出手段によって相対移動が検出された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、
   　当該対象抽出手によって抽出され当該表示手段に表示されたトラッキング対象候補の中から使用者が選択した被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手段と、
   　を有することを特徴とするトラッキング装置。
2. 　前記対象抽出手段が、トラッキング対象候補とした被撮像対象各々の座標を示す対象座標を把握するように構成してあり、
   　前記選択手段が、当該表示手段上において使用者が選択したポイントの座標を示すポイント座標を把握するように構成してあり、
   　前記選択手段が、当該ポイント座標が把握された時点で当該ポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択するように構成してある
   　ことを特徴とする請求項１記載のトラッキング装置。
3. 　運動性物体を保持する矩形プレパラートと、
   　当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、
   　当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、
   　当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、
   　当該撮像装置が撮像した運動性物体の像を可視表示する表示装置と、
   　当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、
   　を備えるトラッキング装置において、
   　当該制御装置が、
   　予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する平均相対速度を算出する算出手段と、
   　当該算出手段が算出した被撮像対象の平均相対速度を、予め定めた基準速度と比較して遅速を判定する判定手段と、
   　当該判定手段によって当該平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、
   　当該対象抽出手によって抽出されたトラッキング対象候補の中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手段と、
   　を有することを特徴とするトラッキング装置。
4. 　運動性物体を保持する矩形プレパラートと、
   　当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、
   　当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、
   　当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、
   　当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、
   　を備えるトラッキング装置において、
   　当該制御装置が、
   　被撮像対象を任意に指定するための対象指定手段と、
   　当該対象指定手段によって指定された被撮像対象をトラッキング対象として選択する対象選択手段と、
   　を有することを特徴とするトラッキング装置。
5. 　運動性物体を保持する矩形プレパラートと、
   　当該矩形プレパラートを、固定機構を介して固定した可動ステージと、
   　当該矩形プレパラートに対して対向配置した対物レンズと、
   　当該対物レンズにより結像された運動性物体の像を撮像する撮像装置と、
   　当該撮像装置に撮像された物体画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するために当該可動ステージを制御する制御装置と、
   　を備えるトラッキング装置において、
   　当該制御装置が、
   　予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該チャンバーに対する平均相対速度を算出する算出手段と、
   　当該算出手段が算出した被撮像対象の平均相対速度を、予め定めた基準速度と比較して遅速を判定する判定手段と、
   　当該判定手段によって当該平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手段と、
   　当該対象抽出手によって抽出されたトラッキング対象候補の中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係る被撮像対象を択一的に選択する選択手段と、
   　手動トラッキングモードと自動トラッキングモードとを切り替えるためのモード切替手段と、を含めて構成してあり、
   　当該選択手段の選択が、当該モード切替手段が手動トラッキングモードに切り替えられたときは使用者の選択指令に従って、かつ、当該モード切替手段が自動トラッキングモードに切り替えられたときは予め定めた選択条件の満足に従って被撮像対象をトラッキング対象として選択するように構成してある
   　ことを特徴とするトラッキング装置。
6. 　前記固定機構が、前記可動ステージに直接固定する固定部と、当該固定部に支持された矩形フレームと、から構成してあり、
   　当該矩形フレームが、矩形プレパラートの長手方向両端部を下方支持する一対の支持片部を含めて構成してあり、
   　当該支持片部各々には、当該矩形プレパラート両端部各々を受け入れるために上面から垂下する当接面を介して底面に向かって下る一方、当該底面を挟んで対向起立する両側面によって仕切られた段部を形成してあり、
   　当該両側面間の距離が当該矩形プレパラートの当該両端部幅方向の位置決めのために当該両端部幅寸法とほぼ同じく、かつ、両当接面間の距離が当該矩形プレパラートの長手方向寸法よりも長く設定してあり、
   　当該支持片部のうち何れか一方には、内部を貫通して当該当接面から突出させたときに載置した矩形プレパラートの端面に当接して他方の当接面との間で当該矩形プレパラートを挟持する少なくとも２個の緩衝ネジを当該支持片部長手方向に離して進退可能に取り付けてある
   　ことを特徴とする請求項１乃至５いずれか記載のトラッキング装置。
7. 　前記緩衝ネジが、合成樹脂材によって構成してある
   　ことを特徴とする請求項６記載のトラッキング装置。
8. 　前記可動ステージが、手動ステージの上に設置してあり、
   　当該手動ステージを移動させることによって当該可動ステージを移動させられるように構成してある
   　ことを特徴とする請求項１乃至７何れか記載のトラッキング装置。
9. 　前記制御装置が、復帰可能にトラッキング停止できるように構成してある
   　ことを特徴とする請求項８記載のトラッキング装置。
10. 　前記対物レンズが、可変焦点レンズを含めて構成してある
    　ことを特徴とする請求項１乃至８いずれか記載のトラッキング装置。
11. 　請求項１乃至１０何れかのトラッキング装置を含めて構成してある
    　ことを特徴とするトラッキング顕微鏡。
12. 　プレパラートに保持された運動性物体の撮像画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を追跡するトラッキング方法において、
    　予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する個々の相対移動を検出する検出手順と、
    　当該検出手順で相対移動が検出された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手順と、
    　当該対象抽出手によって抽出され表示手段に表示されたトラッキング対象候補の中から使用者が選択した被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手順と、
    　を有することを特徴とするトラッキング方法。
13. 　前記対象抽出手順では、トラッキング対象候補とした被撮像対象各々の座標を示す対象座標を把握し、
    　前記選択手順では、当該表示手段上において使用者が選択したポイントの座標を示すポイント座標を把握し、当該ポイント座標を把握した時点で当該ポイント座標と最も近い座標に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する
    　ことを特徴とする請求項１２記載のトラッキング方法。
14. 　プレパラートに保持された運動性物体の撮像画像に対しビジュアルフィードバックを行うことで撮像された運動性物体を二次元的若しくは三次元的に追跡するトラッキング方法において、
    　予め定めた所定時間を超えて撮像され続ける被撮像対象について、当該プレパラートに対する平均相対速度を算出する算出手順と、
    　当該算出手順で算出した被撮像対象の平均相対速度を、予め定めた基準速度と比較して遅速を判定する判定手順と、
    　当該判定手段によって当該平均相対速度が当該基準速度よりも速いと判断された当該被撮像対象を、トラッキング対象候補として抽出する対象抽出手順と、
    　当該対象抽出手によって抽出されたトラッキング対象候補の中から使用者の選択指令又は予め定めた選択条件の満足に係る被撮像対象をトラッキング対象として選択する選択手順と、
    　を有することを特徴とするトラッキング方法。

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