JPH09281403A - 顕微鏡 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、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。 【解決手段】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の制御量を演算す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【図５】一実施の形態の動作を説明するための図。

【図６】一実施の形態の動作を説明するための図。

【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。

【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。

【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。

【符号の説明】

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。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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を具備したことを特徴
   とする顕微鏡。
2. 【請求項２】 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。
3. 【請求項３】 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
   算することを特徴とする請求項１または２記載の顕微
   鏡。