JPH09281403A - Microscope - Google Patents
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- JPH09281403A JPH09281403A JP8954896A JP8954896A JPH09281403A JP H09281403 A JPH09281403 A JP H09281403A JP 8954896 A JP8954896 A JP 8954896A JP 8954896 A JP8954896 A JP 8954896A JP H09281403 A JPH09281403 A JP H09281403A
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- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、試料観察用レンズ
およびステージ間の相対距離を圧電アクチュエータの変
位により制御するようにした顕微鏡に関するものであ
る。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a microscope in which the relative distance between a sample observation lens and a stage is controlled by the displacement of a piezoelectric actuator.
【0002】[0002]
【従来の技術】最近、顕微鏡のうち走査型レーザ顕微鏡
は、ステージや対物レンズを装着したレボルバなどをμ
mやサブμmのオーダの位置決めが必要になっており、
さらに画像取込み時間の短縮のためステージやレボルバ
を高速で変位させることが必要になって、大発生力、高
応答性を有する圧電アクチュエータが使われるようにな
っている。2. Description of the Related Art Recently, scanning laser microscopes among microscopes include a revolver equipped with a stage and an objective lens.
m or sub-μm order positioning is required,
Further, in order to shorten the image capturing time, it is necessary to displace the stage and the revolver at high speed, and a piezoelectric actuator having a large generating force and a high response has been used.
【0003】そして、このような位置決めに用いられる
圧電アクチュエータは、入力電圧に対して非線形で、し
かもヒステリシス特性を有しているため、これらを補正
して線形的でヒステリシスをなくすことが必要となり、
このためにクローズドループによる制御が採用され、そ
のための制御手段が用いられている。Since the piezoelectric actuator used for such positioning is non-linear with respect to the input voltage and has a hysteresis characteristic, it is necessary to correct these linearly and eliminate the hysteresis.
For this reason, closed loop control is adopted, and control means therefor is used.
【0004】しかして、従来、このような制御手段とし
て、I(積分)制御、PI(比例・積分)制御、PID
(比例、積分、微分)制御が採用され、これらの演算結
果は、高圧アンプで増幅され、圧電アクチュエータの駆
動信号を生成するようにしたものがある。Conventionally, as such control means, I (integral) control, PI (proportional / integral) control, PID
In some cases, (proportional, integral, differential) control is adopted, and the results of these calculations are amplified by a high-voltage amplifier to generate a drive signal for the piezoelectric actuator.
【0005】特開平6−138395号公報には、従来
の駆動源として圧電アクチュエータを備えた顕微鏡の一
例が開示されている。これは図7に示すように顕微鏡の
レボルバ200とステージ201との相対距離を検出す
るセンサ部202を有し、このセンサ部202で検出さ
れる相対距離と移動目標指令値との偏差に応じて圧電ア
クチュエータ203の制御量を計算するとともに、この
制御量を高圧アンプで増幅して圧電アクチュエータ20
3を制御することで、レボルバ200とステージ201
との間の位置決めを行うようにしている。Japanese Patent Laid-Open No. 6-138395 discloses an example of a microscope having a piezoelectric actuator as a conventional drive source. As shown in FIG. 7, it has a sensor unit 202 for detecting the relative distance between the revolver 200 of the microscope and the stage 201, and it is in accordance with the deviation between the relative distance detected by the sensor unit 202 and the movement target command value. The control amount of the piezoelectric actuator 203 is calculated, and the control amount is amplified by a high voltage amplifier to obtain the piezoelectric actuator 20.
By controlling 3, the revolver 200 and the stage 201
I am trying to perform positioning between and.
【0006】この場合、圧電アクチュエータ203の制
御量の計算は、まず、指令値をrとして、センサ部20
2で検出されたレボルバ200とステージ201との相
対距離をxとすると、指令値rとの差分から(1)式よ
り変位量の制御偏差eを計算する。In this case, in calculating the control amount of the piezoelectric actuator 203, first, the command value is set to r and the sensor unit 20 is operated.
Assuming that the relative distance between the revolver 200 and the stage 201 detected in 2 is x, the control deviation e of the displacement amount is calculated from the difference from the command value r by the equation (1).
【0007】e=r−x …(1) また、(1)式より求められた制御偏差eに基づいて、
(2)式により比例積分制御演算が実行され、圧電アク
チュエータ制御量vが求められる。E = r−x (1) Further, based on the control deviation e obtained from the equation (1),
The proportional-plus-integral control calculation is executed by the equation (2) to obtain the piezoelectric actuator control amount v.
【0008】v=Kp *e+Ki *∫edt …(2) ここで、KP :比例ゲイン、Ki :積分ゲイン そして、このようにして算出された、圧電アクチュエー
タ制御量vは、高圧アンプを介して圧電アクチュエータ
203に送られ、この圧電アクチュエータ203を制御
することで、レボルバ200とステージ201との間の
位置決めを行うようにしている。V = Kp * e + Ki * ∫edt (2) Here, KP: proportional gain, Ki: integral gain, and the piezoelectric actuator control amount v calculated in this manner is the piezoelectric actuator control amount v. The piezoelectric actuator 203 is sent to the actuator 203 and is controlled to position the revolver 200 and the stage 201.
【0009】[0009]
【発明が解決しようとする課題】ところで、このように
したものでは、比例ゲインや積分ゲインの各制御ゲイン
が固定的に用いられ、これらの制御ゲインを固定値とし
て計算に供するようにしていた。By the way, in such a configuration, the control gains of the proportional gain and the integral gain are fixedly used, and these control gains are used as fixed values for the calculation.
【0010】このため、ある1つの振幅の指令値につい
ては、最適な制御ゲインとして設定でき得るが、振幅の
異なる他の指令値に対しては、最適であった制御ゲイン
も最適でなくなることがある。Therefore, a command value of one amplitude can be set as an optimum control gain, but a control gain that is optimum may not be optimum for other command values of different amplitudes. is there.
【0011】例えば、フルストローク100μmで、分
解能が0.1μmの走査型レーザ顕微鏡について、圧電
アクチュエータ203の駆動が指令値10μmで最適化
された制御ゲインデPI制御されているような場合、入
力指令として100μmもの大きな指令値が与えられる
と、制御ゲインが適性でないため、図8に示すようなオ
ーバシュートを発生する。この状態を沈静化するために
は、時間を必要とすることから、圧電アクチュエータ2
03の整定時間が長くかかってしまうという問題が発生
する。逆に、走査型レーザ顕微鏡の分解能である0.1
μm程度の小さな指令値が与えられると、偏差eが僅か
なので、(2)式において、偏差eが100μmであっ
た時の制御ゲインをそのまま使用すると制御量vが小さ
くなってしまい、図9に示すように立上がりに時間がか
かり、やはり圧電アクチュエータ103の整定時間が長
くかかってしまう。For example, for a scanning laser microscope having a full stroke of 100 μm and a resolution of 0.1 μm, when the driving of the piezoelectric actuator 203 is controlled by the control gain de PI control optimized with a command value of 10 μm, an input command is given. When a command value as large as 100 μm is given, the control gain is not appropriate, and therefore an overshoot as shown in FIG. 8 occurs. Since it takes time to calm this state, the piezoelectric actuator 2
The settling time of 03 takes a long time. On the contrary, the resolution of the scanning laser microscope is 0.1
When a small command value of about μm is given, the deviation e is small. Therefore, in the equation (2), if the control gain when the deviation e is 100 μm is used as it is, the control amount v becomes small, and FIG. As shown in the figure, it takes a long time to rise, and the settling time of the piezoelectric actuator 103 is also long.
【0012】この結果、顕微鏡での画像取込み開始まで
にレボルバ200の位置整定が間に合わないことがあ
り、この状態で画像取込みが行われると、取込み画像に
歪みを生じるという問題があった。As a result, the position of the revolver 200 may not be settled by the time the image is captured by the microscope, and if the image is captured in this state, the captured image may be distorted.
【0013】また、ステージ201が、例えば、フルス
トロークの100μm変位した状態でのレボルバ200
の対物レンズとステージ201上の試料とのクリアラン
スLは数μm程度であるため、オーバシュートの発生に
より対物レンズが試料に衝突するおそれもあり、試料を
破損してしまうという問題もあった。本発明は、上記事
情に鑑みてなされたもので、常に最適な応答速度により
制御できる圧電アクチュエータを用いた顕微鏡を提供す
ることを目的とする。Further, the revolver 200 in a state where the stage 201 is displaced by 100 μm of full stroke, for example.
Since the clearance L between the objective lens and the sample on the stage 201 is about several μm, there is a possibility that the objective lens may collide with the sample due to the occurrence of overshoot and the sample may be damaged. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a microscope using a piezoelectric actuator that can always be controlled with an optimum response speed.
【0014】[0014]
【課題を解決するための手段】請求項1記載の発明は、
試料観察用レンズおよびステージ間の相対距離を圧電ア
クチュエータの変位により制御するようにした顕微鏡に
おいて、前記圧電アクチュエータを駆動するための指令
値を出力する指令手段と、予め前記指令手段の指令値に
応じた最適な制御ゲインを格納した制御ゲイン格納手段
と、前記指令手段の指令値に応じた最適な制御ゲインを
前記制御ゲイン格納手段から読み込み、所定の制御演算
に適用して前記圧電アクチュエータの制御量を演算する
演算手段と、この演算手段より出力される制御量により
前記圧電アクチュエータを駆動する駆動手段とにより構
成している。According to the first aspect of the present invention,
In a microscope in which a relative distance between a sample observing lens and a stage is controlled by displacement of a piezoelectric actuator, a command means for outputting a command value for driving the piezoelectric actuator, and a command value of the command means in advance And a control gain storage means for storing the optimum control gain, and an optimum control gain corresponding to the command value of the command means is read from the control gain storage means and applied to a predetermined control calculation to control the piezoelectric actuator. And a driving means for driving the piezoelectric actuator according to the control amount output from the computing means.
【0015】また、請求項2記載の発明は、請求項1記
載において、制御ゲイン格納手段は、指令手段による前
回の指令値と今回の指令値の差分より得られるステップ
入力の振幅と、該ステップ入力の振幅に応じた最適な制
御ゲインを格納するようにしている。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect, the control gain storage means has an amplitude of a step input obtained from a difference between a previous command value and a current command value by the command means, and the step. The optimum control gain according to the input amplitude is stored.
【0016】また、請求項3記載の発明は、請求項1ま
たは2記載において、演算手段は、前記試料観察用レン
ズおよびステージ間の相対距離と前記指令手段の指令値
との差分と、前記前記制御ゲイン格納手段から読み込ん
だ最適制御ゲインにより前記圧電アクチュエータの制御
量を演算するようにしている。The invention according to claim 3 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the computing means is the difference between the relative distance between the sample observation lens and the stage and the command value of the command means, and The control amount of the piezoelectric actuator is calculated by the optimum control gain read from the control gain storage means.
【0017】この結果、本発明によれば、指令手段の指
令値に応じた最適な制御ゲインを適用して圧電アクチュ
エータの制御量を演算するようにできるので、圧電アク
チュエータを常に最適な応答速度で制御することがで
き、試料観察用レンズやステージなどの被駆動部を最短
時間で整定することができる。As a result, according to the present invention, since the optimum control gain according to the command value of the command means can be applied to calculate the control amount of the piezoelectric actuator, the piezoelectric actuator can always be operated at the optimum response speed. It can be controlled, and driven parts such as a sample observation lens and a stage can be settled in the shortest time.
【0018】[0018]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態を図
面に従い説明する。図1は、本発明が適用可能な一例と
して走査型レーザ顕微鏡が示されている。図において、
走査型レーザ顕微鏡101は、レーザ光源102、走査
光学系104、対物レンズ105、共焦点光学系10
6、ステージ108で構成されている。レーザ光源10
2から出たレーザ光は、ビームスプリッタ103を通過
し、走査光学系104に入射する。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a scanning laser microscope as an example to which the present invention can be applied. In the figure,
The scanning laser microscope 101 includes a laser light source 102, a scanning optical system 104, an objective lens 105, and a confocal optical system 10.
6, the stage 108. Laser light source 10
The laser light emitted from the laser beam 2 passes through the beam splitter 103 and enters the scanning optical system 104.
【0019】走査光学系104は、レーザビームを2次
元に走査するために、2つの光偏向器で構成されてい
る。第1の光偏向器でレーザ光は、X方向に偏向され、
第2の光偏向器で、Y方向に偏向される。このようにし
て、レーザ光は、光軸に垂直な面内で2次元に偏向さ
れ、走査の制御は、コントローラボックス110を介し
てコンピュータ114からの指令によって行われる。The scanning optical system 104 is composed of two optical deflectors for two-dimensionally scanning a laser beam. The laser light is deflected in the X direction by the first optical deflector,
It is deflected in the Y direction by the second optical deflector. In this way, the laser light is two-dimensionally deflected within a plane perpendicular to the optical axis, and scanning is controlled by a command from the computer 114 via the controller box 110.
【0020】このレーザ光は、対物レンズ105によっ
て試料107上に集光されて、微小なスポットを形成す
る。この微小なスポットは、光偏向器の動きに合わせて
試料107上をTVのラスター走査と同じように2次元
移動する。This laser light is condensed on the sample 107 by the objective lens 105 to form a minute spot. This minute spot moves two-dimensionally on the sample 107 in accordance with the movement of the optical deflector, similarly to the raster scanning of the TV.
【0021】試料107から反射したレーザ光は、入射
した光路を逆に戻り、ビームスプリッタ103で反射さ
れる。反射光は、共焦点光学系106に入射し共焦点画
像が得られる。共焦点光学系106は、反射光を電気信
号に変換するフォトマルチプライヤなどの光検出器と、
光検出器の前方の位置であって対物レンズ105の合焦
位置と共役な位置に配置されたピンホールで構成されて
いる。The laser beam reflected from the sample 107 returns in the reverse direction of the incident optical path and is reflected by the beam splitter 103. The reflected light enters the confocal optical system 106 and a confocal image is obtained. The confocal optical system 106 includes a photodetector such as a photomultiplier that converts reflected light into an electric signal,
It is composed of a pinhole arranged in front of the photodetector and at a position conjugate with the focus position of the objective lens 105.
【0022】共焦点光学系106からの画像信号は、コ
ントローラボックス110の画像用メモリ111に送ら
れ、ディスプレイ115上に試料の輝度画像として表示
される。画像は、XY走査が行われるたびに毎回更新さ
れる。The image signal from the confocal optical system 106 is sent to the image memory 111 of the controller box 110 and displayed on the display 115 as a luminance image of the sample. The image is updated every time an XY scan is performed.
【0023】共焦点光学系106は、ピンホールによっ
て合焦位置以外の情報を除去するため、試料107が生
物標本などの透明な物体では、断層像が得られる。さら
にXY走査が終了する度にステージ108を光軸方向に
移動させることによって、連続した断層像を得ることが
できる。Since the confocal optical system 106 removes information other than the focus position by the pinhole, a tomographic image can be obtained when the sample 107 is a transparent object such as a biological specimen. Further, by moving the stage 108 in the optical axis direction each time the XY scanning is completed, continuous tomographic images can be obtained.
【0024】試料107の光軸方向への移動は、Z駆動
回路113によってステージ108を光軸方向へ移動さ
せることによって行われる。ステージ108の制御は、
Z駆動回路113を介してコンピュータ114で行われ
る。The movement of the sample 107 in the optical axis direction is performed by moving the stage 108 in the optical axis direction by the Z drive circuit 113. The control of the stage 108 is
This is performed by the computer 114 via the Z drive circuit 113.
【0025】ステージ108の動きについて図2を用い
て説明する。図2は、走査型レーザ顕微鏡101のステ
ージ108の部分の構成の詳細な様子を表している。図
において、1は顕微鏡本体で、この顕微鏡本体1には、
レボルバ2を設けている。The movement of the stage 108 will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a detailed configuration of the stage 108 of the scanning laser microscope 101. In the figure, 1 is a microscope body, and this microscope body 1
A revolver 2 is provided.
【0026】このレボルバ2は、試料観察用レンズとし
て倍率の異なる複数の対物レンズ105を設けたもので
ある。また、顕微鏡本体1には、粗動作機構部4を設け
ている。この粗動作機構部4は、固定側動力伝達機構収
納箱41と可動側動力伝達機構収納箱42を有し、図示
しない焦準ハンドルの操作により可動側動力伝達機構収
納箱42を顕微鏡本体1の光軸方向、つまり図示Z方向
に移動可能にしている。The revolver 2 is provided with a plurality of objective lenses 105 having different magnifications as a sample observation lens. Further, the microscope main body 1 is provided with a coarse operation mechanism section 4. The rough motion mechanism section 4 has a fixed side power transmission mechanism storage box 41 and a movable side power transmission mechanism storage box 42, and the movable side power transmission mechanism storage box 42 of the microscope body 1 is operated by operating a focusing handle (not shown). It is movable in the optical axis direction, that is, in the Z direction in the figure.
【0027】そして、このような粗動作機構部4の可動
側動力伝達機構収納箱42に直線移動用のベアリング5
を介してステージ支持部材6を設け、このステージ支持
部材6にステージ108を取り付けている。A bearing 5 for linear movement is installed in the movable-side power transmission mechanism storage box 42 of the rough motion mechanism section 4 as described above.
The stage supporting member 6 is provided via the above, and the stage 108 is attached to the stage supporting member 6.
【0028】このステージ108は、試料107が載置
されるもので、ステージ支持部材6とともに、ベアリン
グ5を介して設けられた可動側動力伝達機構収納箱42
に対してさらにZ方向に移動可能にしている。A sample 107 is placed on the stage 108, and a movable side power transmission mechanism storage box 42 provided via a bearing 5 together with the stage support member 6.
However, it is further movable in the Z direction.
【0029】また、可動側動力伝達機構収納箱42に
は、微動作機構部9を設けている。この微動作機構部9
は、圧電アクチュエータ91を有していて、この圧電ア
クチュエータ91への印加電圧値に応じて該圧電アクチ
ュエータ91の可動片の突出量を変化させることで、ス
テージ支持部材6の光軸方向の駆動を制御するようにし
ている。Further, the movable side power transmission mechanism storage box 42 is provided with a fine operation mechanism section 9. This fine movement mechanism section 9
Has a piezoelectric actuator 91, and drives the stage support member 6 in the optical axis direction by changing the protrusion amount of the movable piece of the piezoelectric actuator 91 in accordance with the voltage value applied to the piezoelectric actuator 91. I'm trying to control.
【0030】また、顕微鏡本体1には、センサ部10を
設けている。このセンサ部10は、レボルバ2とステー
ジ108との間の相対距離を検出するものである。図3
は、図1のセンサ回路112とZ駆動回路113の具体
例である。図において、21は指令部で、この指令部2
1は、圧電アクチュエータ91を駆動するための指令値
を出力するものである。Further, the microscope body 1 is provided with a sensor section 10. The sensor unit 10 detects a relative distance between the revolver 2 and the stage 108. FIG.
Is a specific example of the sensor circuit 112 and the Z drive circuit 113 in FIG. In the figure, reference numeral 21 denotes a command unit, which is a command unit 2
1 outputs a command value for driving the piezoelectric actuator 91.
【0031】そして、この指令部21には、制御部22
を接続している。この制御部22は、CPU221、A
/Dコンバータ222、223、D/Aコンバータ22
4、メモリ225およびルックアップテーブル226を
有している。The command unit 21 includes a control unit 22.
Are connected. The control unit 22 includes a CPU 221 and A
/ D converters 222 and 223, D / A converter 22
4, memory 225 and lookup table 226.
【0032】ここで、A/Dコンバータ222は、指令
部21より与えられる指令値をデジタル変換し、また、
A/Dコンバータ223は、後述するセンサ部10より
フィードバックされるレボルバ2とステージ108との
間の相対距離に応じた信号をデジタル変換し、それぞれ
CPU221に与えるようにしている。Here, the A / D converter 222 digitally converts the command value given from the command unit 21, and
The A / D converter 223 digitally converts signals corresponding to the relative distance between the revolver 2 and the stage 108, which is fed back from the sensor unit 10 to be described later, and gives the signals to the CPU 221.
【0033】メモリ225は、指令部21による前回の
指令値と今回の指令値を記憶するものである。ルックア
ップテーブル226は、圧電アクチュエータ91を駆動
させる指令値で、ステージを一定量変位させるためのス
テップ入力の振幅、つまり指令部21からの今回の指令
値と前回の指令値の差分より得られるステップ入力の振
幅と、該ステップ入力の振幅に応じた最適な制御ゲイン
(ここでは、P(比例)ゲインとI(積分)ゲイン)を
格納したものである。この場合、これらステップ入力の
振幅と、該ステップ入力の振幅に応じた最適な制御ゲイ
ンは、予め駆動回路を動作させることで得られる実行デ
ータか、またはコンピュータなどによるシュミレーショ
ンより得られたデータを格納している。The memory 225 stores the previous command value and the current command value by the command unit 21. The lookup table 226 is a command value for driving the piezoelectric actuator 91, and the step input amplitude for displacing the stage by a certain amount, that is, the step obtained from the difference between the command value of this time from the command unit 21 and the command value of the previous time. It stores the input amplitude and optimum control gains (here, P (proportional) gain and I (integral) gain) according to the amplitude of the step input. In this case, the amplitude of these step inputs and the optimum control gain according to the amplitude of the step inputs are stored as execution data obtained by operating the drive circuit in advance or data obtained by simulation by a computer or the like. are doing.
【0034】そして、CPU221は、これらA/Dコ
ンバータ222、223によりデジタル変換された信
号、メモリ225およびルックアップテーブル226か
らの読み出しデータ考慮して圧電アクチュエータ91の
適正な制御量に相当する電圧値を計算し、この電圧値を
D/Aコンバータ224でアナログ変換して出力するよ
うにしている。Then, the CPU 221 considers the signals digitally converted by the A / D converters 222 and 223, the read data from the memory 225 and the look-up table 226, and the voltage value corresponding to the appropriate control amount of the piezoelectric actuator 91. Is calculated, and this voltage value is analog-converted by the D / A converter 224 and output.
【0035】この制御部22には、高圧アンプ23を接
続し、この高圧アンプ23の出力側に上述した圧電アク
チュエータ91を接続している。そして、この圧電アク
チュエータ91の変位量によりステージ108を駆動す
るようにしている。A high-voltage amplifier 23 is connected to the control unit 22, and the piezoelectric actuator 91 described above is connected to the output side of the high-voltage amplifier 23. The stage 108 is driven by the amount of displacement of the piezoelectric actuator 91.
【0036】また、上述したセンサ部10により検出さ
れるレボルバ2とステージ108との間の相対距離は、
センサアンプ24を介して制御部22にフィードバック
されるようになっている。Further, the relative distance between the revolver 2 and the stage 108 detected by the above-mentioned sensor unit 10 is
Feedback is provided to the control unit 22 via the sensor amplifier 24.
【0037】次に、以上のように構成した実施の形態の
動作を説明する。いま、位置決め制御がスタートする
と、図4に示すフローチャートが実行される。まず、ス
テップ301で、メモリ225より指令部21の前回の
指令値を読み出し、今回の指令値とともに、CPU22
1に与える。CPU221では、ステップ302で、こ
れら今回の指令値と前回の指令値の差分からステップ入
力の振幅を算出する。Next, the operation of the embodiment configured as described above will be described. Now, when the positioning control is started, the flowchart shown in FIG. 4 is executed. First, in step 301, the previous command value of the command unit 21 is read from the memory 225, and the CPU 22 and the command value of this time are read.
Give to 1. In step 302, the CPU 221 calculates the amplitude of the step input from the difference between the current command value and the previous command value.
【0038】また、CPU221では、ステップ303
で、ルックアップテーブル226よりステップ302で
算出されたステップ入力の振幅に対応する最適な制御ゲ
イン(P(比例)ゲインKP とI(積分)ゲインKI )
を読み込むとともに、ステップ304で、センサ部10
よりフィードバックされるレボルバ2とステージ108
との間の相対距離に応じた信号をA/Dコンバータ22
3によりデジタル変換して取り込む。In the CPU 221, step 303 is executed.
Then, the optimum control gain (P (proportional) gain KP and I (integral) gain KI) corresponding to the amplitude of the step input calculated in step 302 from the lookup table 226
And at step 304, the sensor unit 10
Revolver 2 and stage 108 which are fed back more
A / D converter 22 outputs a signal according to the relative distance between
It is digitally converted by 3 and captured.
【0039】そして、ステップ305で、上述した
(1)式から制御偏差eを計算するとともに、さらに
(2)式に示すPI制御演算により最適な圧電アクチュ
エータ91の制御量vを算出し、ステップ306で、こ
の制御量vに相当する電圧値をD/Aコンバータ224
でアナログ変換して出力する。Then, in step 305, the control deviation e is calculated from the above equation (1), and the optimum control amount v of the piezoelectric actuator 91 is calculated by the PI control calculation shown in equation (2). Then, the voltage value corresponding to the control amount v is set to the D / A converter 224.
Is converted to analog and output.
【0040】また、D/Aコンバータ224でアナログ
変換した出力を高圧アンプ23により増幅して、圧電ア
クチュエータ91に与え、これにより圧電アクチュエー
タ91は、制御部22からの制御量vに相当する電圧値
により変位され、ステージ108を相当する量だけ駆動
するようになる。Further, the analog-converted output of the D / A converter 224 is amplified by the high-voltage amplifier 23 and given to the piezoelectric actuator 91, which causes the piezoelectric actuator 91 to generate a voltage value corresponding to the control amount v from the control section 22. Is displaced by, and the stage 108 is driven by a corresponding amount.
【0041】そして、ステップ307で、メモリ225
の前回の指令値を今回の指令値で更新して、ステップ3
01に戻り、さらに上述した動作を繰り返すようにな
る。しかして、このような構成とすると、例えば、フル
ストローク100μmで、分解能が0.1μmの走査型
レーザ顕微鏡について、前回の指令値が0μmの状態か
ら、今回の指令値として100μmのステップ入力が与
えられたような場合、今回の指令値と前回の指令値の差
分は、100μmにもなる。Then, in step 307, the memory 225
Update the previous command value of this time with this command value, and
Returning to 01, the above operation is repeated. With such a configuration, for example, with respect to a scanning laser microscope having a full stroke of 100 μm and a resolution of 0.1 μm, a step input of 100 μm is given as a current command value from a state where the previous command value is 0 μm. In such a case, the difference between the current command value and the previous command value becomes 100 μm.
【0042】しかし、この場合は、差分100μmのス
テップ入力の振幅に対して、ルックアップテーブル22
6より、該ステップ入力の振幅に対応する最適な制御ゲ
イン(P(比例)ゲインとI(積分)ゲイン)が読み出
され、この最適な制御ゲインを用いたPI制御演算がC
PU221により実行されるので、圧電アクチュエータ
91に対する制御量は、最適な応答速度が得られるもの
となり、これにより、図5に示すようにオーバシュート
を発生することがなく、しかもステージ108の整定時
間を画像取込み時間より十分短くするような動作を実現
できるようになる。However, in this case, the lookup table 22 is set for the amplitude of the step input having a difference of 100 μm.
From 6, the optimum control gain (P (proportional) gain and I (integral) gain) corresponding to the amplitude of the step input is read out, and the PI control calculation using this optimum control gain is C
Since it is executed by the PU 221, the control amount for the piezoelectric actuator 91 is such that an optimum response speed can be obtained, and as a result, overshoot does not occur as shown in FIG. It becomes possible to realize an operation that is sufficiently shorter than the image capture time.
【0043】また、この状態から、新たに、今回の指令
値として1μmのステップ入力が与えられたとすると、
前回の指令値は100μmなので、これらの差分は−9
9μmとなる。すると、この場合も、差分−99μmの
ステップ入力の振幅に対して、ルックアップテーブル2
26より、このステップ入力の振幅に対応する最適な制
御ゲインが読み出されるので、かかる最適な制御ゲイン
を用いたCPU221でのPI制御演算により、最適な
応答速度が得られるような圧電アクチュエータ91の制
御量が算出されることになる。If a step input of 1 μm is newly given as the current command value from this state,
Since the previous command value was 100 μm, the difference between these is -9
It becomes 9 μm. Then, also in this case, the lookup table 2 is set for the amplitude of the step input having the difference of −99 μm.
Since the optimum control gain corresponding to the amplitude of this step input is read from 26, control of the piezoelectric actuator 91 such that the optimum response speed is obtained by the PI control calculation in the CPU 221 using the optimum control gain. The quantity will be calculated.
【0044】ここで、差分−99μmについても、改め
て圧電アクチュエータ91の制御量を算出するのは、圧
電アクチュエータ91の特性が、立上がりと立下がりと
で異なるため、差分の符号(+または−)により制御ゲ
インを変更する必要があるからである。Here, even for the difference of −99 μm, the control amount of the piezoelectric actuator 91 is calculated again because the characteristics of the piezoelectric actuator 91 are different between rising and falling, and therefore, depending on the sign (+ or −) of the difference. This is because it is necessary to change the control gain.
【0045】一方、逆に、走査型レーザ顕微鏡の分解能
である0.1μm程度の小さな指令値が与えられたよう
な場合は、この時の小さなステップ入力の振幅に対して
も、ルックアップテーブル226より、最適な制御ゲイ
ンを読み出すことで、CPU221でのPI制御演算に
より最適な応答速度が得られるような圧電アクチュエー
タ91の制御量が算出されることになり、これにより、
図6に示すように目標値までの立上がりを速やかにで
き、ステージ108の整定時間を大幅に短縮することが
できる。On the other hand, on the contrary, when a small command value of about 0.1 μm, which is the resolution of the scanning laser microscope, is given, the look-up table 226 is applied to the small step input amplitude at this time. Accordingly, by reading out the optimum control gain, the control amount of the piezoelectric actuator 91 such that the optimum response speed is obtained by the PI control calculation in the CPU 221 is calculated.
As shown in FIG. 6, it is possible to quickly rise to the target value, and the settling time of the stage 108 can be significantly shortened.
【0046】従って、このようにすれば、指令部21よ
り圧電アクチュエータ91を駆動するための指令値が出
力されると、前回の指令値と今回の指令値の差分よりス
テップ入力の振幅が求められ、このステップ入力の振幅
により、ルックアップテーブル226より、この時のス
テップ入力の振幅に最適な制御ゲイン(P(比例)ゲイ
ンとI(積分)ゲイン)が読み出され、この制御ゲイン
を用いて、レボルバおよびステージ間の相対距離と前記
指令手段の指令値との差分の制御偏差eを考慮したPI
制御演算により、最適な応答速度が得られる圧電アクチ
ュエータ91の制御量を演算できるようにしたので、圧
電アクチュエータを常に最適な応答速度で制御すること
ができ、これによりステージ108を最短時間で整定す
ることができ、画像の取込み時間を大幅に短縮すること
が可能になる。Therefore, in this way, when the command value for driving the piezoelectric actuator 91 is output from the command unit 21, the step input amplitude is obtained from the difference between the previous command value and the current command value. , The optimum control gain (P (proportional) gain and I (integral) gain) for the step input amplitude at this time is read from the look-up table 226 based on the step input amplitude, and this control gain is used. , PI considering the control deviation e of the difference between the relative distance between the revolver and the stage and the command value of the command means.
Since the control calculation makes it possible to calculate the control amount of the piezoelectric actuator 91 that obtains the optimum response speed, the piezoelectric actuator can always be controlled at the optimum response speed, whereby the stage 108 is settled in the shortest time. Therefore, it is possible to significantly reduce the image capturing time.
【0047】なお、上述した実施の形態では、PI(比
例・積分)制御について述べたが、これ以外の例えば、
P(比例)制御、I(積分)制御、PID(比例・積分
・微分)制御を採用してもよい。また、上述した実施の
形態では、ステージ108側を被駆動部としたが、レボ
ルバ3側を被駆動部に構成のものにも適用できる。さら
に上述した実施の形態では、制御部22内のルックアッ
プテーブル226にステップ入力の振幅と、該ステップ
入力の振幅に応じた最適な制御ゲインをテーブルとして
格納するようにしたが、このようなルックアップテーブ
ル226に代えて、着脱可能なICカードのようなカー
ド状記憶媒体を使用してもよい。In the above embodiment, the PI (proportional / integral) control is described, but other than this, for example,
P (proportional) control, I (integral) control, and PID (proportional / integral / derivative) control may be adopted. Further, in the above-described embodiment, the stage 108 side is the driven part, but the revolver 3 side is also the driven part. Further, in the above-described embodiment, the look-up table 226 in the control unit 22 stores the amplitude of the step input and the optimum control gain corresponding to the amplitude of the step input as a table. Instead of the up table 226, a card-shaped storage medium such as a removable IC card may be used.
【0048】なお、上述した実施の形態では、走査型レ
ーザ顕微鏡を例に説明したが、通常の光学顕微鏡、超音
波顕微鏡などのように試料を観察するレンズを備え、こ
のレンズと試料を載置するステージとの間の相対距離を
圧電アクチュエータの変位により制御できるものであれ
ば適用できる。In the above-described embodiment, the scanning laser microscope has been described as an example, but a lens for observing the sample is provided like an ordinary optical microscope or an ultrasonic microscope, and this lens and the sample are mounted. Any stage can be applied as long as the relative distance between the stage and the stage can be controlled by the displacement of the piezoelectric actuator.
【0049】[0049]
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、指令
手段の指令値に応じた最適な制御ゲインを適用して圧電
アクチュエータの制御量を演算するようにできるので、
圧電アクチュエータを常に最適な応答速度で制御するこ
とができ、これによりレボルバやステージなどの被駆動
部を最短時間で整定でき、画像の取込み時間を大幅に短
縮できる。As described above, according to the present invention, the control amount of the piezoelectric actuator can be calculated by applying the optimum control gain according to the command value of the command means.
The piezoelectric actuator can always be controlled at the optimum response speed, which allows the driven parts such as the revolver and the stage to be settled in the shortest time, and the image acquisition time can be greatly shortened.
【図1】本発明の一実施の形態に適用される走査型レー
ザ顕微鏡の概略構成を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a scanning laser microscope applied to an embodiment of the present invention.
【図2】一実施の形態に適用される走査型レーザ顕微鏡
のステージ部分の詳細な構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of a stage portion of a scanning laser microscope applied to one embodiment.
【図3】一実施の形態の圧電アクチュエータの駆動回路
を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a piezoelectric actuator drive circuit according to an embodiment.
【図4】一実施の形態の動作を説明するためのフローチ
ャート。FIG. 4 is a flowchart for explaining the operation of the embodiment;
【図5】一実施の形態の動作を説明するための図。FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the embodiment.
【図6】一実施の形態の動作を説明するための図。FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the embodiment.
【図7】従来の走査型レーザ顕微鏡の一例を示す概略構
成図。FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional scanning laser microscope.
【図8】従来の走査型レーザ顕微鏡の動作を説明するた
めの図。FIG. 8 is a diagram for explaining the operation of a conventional scanning laser microscope.
【図9】従来の走査型レーザ顕微鏡の動作を説明するた
めの図。FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of a conventional scanning laser microscope.
101…走査型レーザ顕微鏡、 102…レーザ光源、 103…ビームスプリッタ、 104…走査光学系、 105…対物レンズ、 106…共焦点光学系、 107…試料、 108…ステージ、 109…、 110…コントローラボックス、 111…画像用メモリ、 112…センサ回路、 113…Z駆動回路、 114…コンピュータ、 115…ディスプレイ、 1…顕微鏡本体、 2…レボルバ、 4…粗動作機構部、 41…固定側動力伝達機構収納箱、 42…可動側動力伝達機構収納箱、 5…ベアリング、 6…ステージ支持部材、 9…微動作機構部、 91…圧電アクチュエータ、 10…センサ部、 21…指令部、 22…制御部、 221…CPU、 222、223…A/Dコンバータ、 224…D/Aコンバータ、 225…メモリ、 226…ルックアップテーブル、 23…高圧アンプ、 24…センサアンプ。 101 ... Scanning laser microscope, 102 ... Laser light source, 103 ... Beam splitter, 104 ... Scanning optical system, 105 ... Objective lens, 106 ... Confocal optical system, 107 ... Sample, 108 ... Stage, 109 ..., 110 ... Controller box , 111 ... Image memory, 112 ... Sensor circuit, 113 ... Z drive circuit, 114 ... Computer, 115 ... Display, 1 ... Microscope body, 2 ... Revolver, 4 ... Coarse operation mechanism section, 41 ... Fixed side power transmission mechanism storage Box, 42 ... Movable side power transmission mechanism storage box, 5 ... Bearing, 6 ... Stage support member, 9 ... Fine movement mechanism section, 91 ... Piezoelectric actuator, 10 ... Sensor section, 21 ... Command section, 22 ... Control section, 221 ... CPU, 222, 223 ... A / D converter, 224 ... D / A converter, 225 ... Memory, 2 26 ... Look-up table, 23 ... High-voltage amplifier, 24 ... Sensor amplifier.
Claims (3)
対距離を圧電アクチュエータの変位により制御するよう
にした顕微鏡において、 前記圧電アクチュエータを駆動するための指令値を出力
する指令手段と、 予め前記指令手段の指令値に応じた最適な制御ゲインを
格納した制御ゲイン格納手段と、 前記指令手段の指令値に応じた最適な制御ゲインを前記
制御ゲイン格納手段から読み込み、所定の制御演算に適
用して前記圧電アクチュエータの制御量を演算する演算
手段と、 この演算手段より出力される制御量により前記圧電アク
チュエータを駆動する駆動手段とを具備したことを特徴
とする顕微鏡。1. A microscope in which a relative distance between a sample observation lens and a stage is controlled by displacement of a piezoelectric actuator, and command means for outputting a command value for driving the piezoelectric actuator, and the command means in advance. Control gain storage means for storing the optimum control gain according to the command value of, and the optimum control gain according to the command value of the command means is read from the control gain storage means, applied to a predetermined control calculation, A microscope comprising: a calculation unit that calculates the control amount of the piezoelectric actuator; and a drive unit that drives the piezoelectric actuator according to the control amount output from the calculation unit.
前回の指令値と今回の指令値の差分より得られるステッ
プ入力の振幅と、該ステップ入力の振幅に応じた最適な
制御ゲインを格納したものであることを特徴とする請求
項1記載の顕微鏡。2. The control gain storage means stores an amplitude of a step input obtained from a difference between a previous command value and a current command value by the command means, and an optimum control gain according to the amplitude of the step input. The microscope according to claim 1, wherein
びステージ間の相対距離と前記指令手段の指令値との差
分と、前記前記制御ゲイン格納手段から読み込んだ最適
制御ゲインにより前記圧電アクチュエータの制御量を演
算することを特徴とする請求項1または2記載の顕微
鏡。3. The calculation means controls the piezoelectric actuator by the difference between the relative distance between the sample observation lens and the stage and the command value of the command means, and the optimum control gain read from the control gain storage means. The microscope according to claim 1 or 2, wherein an amount is calculated.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8954896A JPH09281403A (en) | 1996-04-11 | 1996-04-11 | Microscope |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8954896A JPH09281403A (en) | 1996-04-11 | 1996-04-11 | Microscope |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09281403A true JPH09281403A (en) | 1997-10-31 |
Family
ID=13973881
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8954896A Pending JPH09281403A (en) | 1996-04-11 | 1996-04-11 | Microscope |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09281403A (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002328309A (en) * | 2000-04-19 | 2002-11-15 | Olympus Optical Co Ltd | Sample support device |
| JP2003097909A (en) * | 2001-09-25 | 2003-04-03 | Canon Inc | Surface property identification device, heating device, image forming apparatus, and surface property identification method |
| JP2013218310A (en) * | 2012-03-15 | 2013-10-24 | Olympus Corp | Microscope system, driving method, and program |
-
1996
- 1996-04-11 JP JP8954896A patent/JPH09281403A/en active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002328309A (en) * | 2000-04-19 | 2002-11-15 | Olympus Optical Co Ltd | Sample support device |
| JP2003097909A (en) * | 2001-09-25 | 2003-04-03 | Canon Inc | Surface property identification device, heating device, image forming apparatus, and surface property identification method |
| JP2013218310A (en) * | 2012-03-15 | 2013-10-24 | Olympus Corp | Microscope system, driving method, and program |
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