Making Groundbreaking Technology Freely Available

顕微鏡は、常に改革が行われている技術の一つです。17世紀はじめに作られた最初の顕微鏡は非常にシンプルなデザインでしたが、数々の開発によってその性能は着実に向上しました。散乱光が少なく、コントラストの高い画像が得られる反射防止膜、色分散を抑え、より複雑な光学系を可能にする新しいレンズ材料、かつて分解能を上げる方法を最初に計算したエルンスト・アッベの画期的な理論、蛍光サンプルの超分解能技術やサンプルによる光の散乱が大幅に減少したライトシート顕微鏡など、どれもが魅力的です。このリストは無限に拡張することができ、現在に至るまで、顕微鏡法の革新は多くの分野で新しい発見の原動力となっています。

大手機器メーカによる更なる開発に加えて、大学や研究機関の独創的な研究者たちは、実験のために非常に特殊な設計の顕微鏡を必要とし、独自の開発でこれらを構築することがよくあります。例えば、モーグリッジ研究所(ウィスコンシン州マディソン)にあるHuisken Labs社のFlamingoライトシート蛍光顕微鏡や、アッシュバーン(バージニア州)にあるハワード・ヒューズ医学研究所のジャネリアリサーチキャンパスにあるフィリップ ケラー氏とその研究チームが開発したIsoViewも、ライトシート顕微鏡です。TIRF技術とSTORM技術を併用した GATTAscope もその自社開発の一つです。できあがったデザインはインターネットで共有されることが多く、同じ顕微鏡を使って研究グループの科学的成果を自分の作品と比較するというグローバルなコミュニティが形成されています。

アプリケーションの知識や研究結果だけでなく、使用されているすべてのコンポーネントを含むセットアップの詳細も、コミュニティでグローバルに交換されます。レーザや光学機器メーカ、カメラやソフトウェアの情報に加えて、ポジショニングシステムやその基礎となるドライブテクノロジ、制御オプションにも焦点を当てています。それぞれの実験では、顕微鏡の設計やそこで使用される位置決めシステムに独自の要求があります。

その他

Groundbreaking Approach

Open-Source Microscopy Supports Cutting-Edge Discoveries

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英語

ドライブ コンセプト

PIは、移動範囲、ダイナミクス、精度、サイズなどあらゆる要件を満たすために、さまざまな種類のドライブを提供しています。これらは大きく2つのクラスに分けられます:ピエゾベースドライブと電動モータです。

ピエゾアクチュエータとモータ

PIはピエゾベースドライブに、自社開発のピエゾセラミック部品を使用しています。これは、PIFOC対物レンズスキャナに搭載されている、完全にセラミックで絶縁されたPICMAピエゾアクチュエータです。アクチュエータはフレクシャガイドによって支えられており、最大460μmの移動範囲が可能で、新しい開発では最大800μmの移動範囲が可能になります。さらに、モータドライブに比べて著しく速い応答と寿命を特徴としており、最大1,000億回の無故障が実証されています。例えば、同じ原理のPIHeraリニア軸は、IsoViewライトシート顕微鏡の対物レンズの移動などに使われています。内蔵された静電容量式センサは、非接触でサブナノメートルの分解能で測定します。モーションの直線性、長期安定性、kHz帯の帯域幅などに優れています。

PILine超音波モータもピエゾテクノロジをベースにしています。あらゆる移動範囲の直線運動や回転運動が可能です。非常にフラットなドライブは、機械的に簡単に組み込むことができ、典型的な最大速度は100mm/sで、双方向の位置再現性は±500nmの範囲です。これらのドライブの特徴は、静止時とスイッチオフ時の保持力です。到達した位置は、追加のエネルギーや熱を加えることなく、機械的に安定した状態に保たれます。こうした特性は、デューティサイクルが小さく、バッテリー駆動や熱に弱い用途にとって利点となります。PIは、超音波技術を用いた標準的なXYステージを提供しています。 また、単軸のリニアドライブやロータリドライブも用意されています。例えば、Flamingoライトシート顕微鏡では、回転プラットフォームU-628が中心的な役割を果たしています。

電動ドライブ

電動ドライブの分野では、PIはスピンドル駆動およびダイレクト駆動のリニアステージ、サーボおよびステッピングモータのバリエーションを豊富に取り揃えています。例えば、Flamingoライトシート顕微鏡には、折り畳み式ドライブを搭載したコンパクトなリニアステージ L-505 が採用されています。サンプルチャンバを光軸に沿って移動させるためのものです。これは、サンプルの全体を3次元で表示するためのZ-stackを作成する役割を果たします。

電動リニアドライブは、必要に応じて積み重ねることができ、また、ゴニオメータと組み合わせることで、複数の自由度での位置決めが可能です。この技術ポートフォリオは、非常にダイナミックなボイスコイルドライブによって補完されています。例えば、後者は数ミリの移動範囲を持つZポジショナに使用されています。

コントローラ技術とIDチップ

プラットフォームの機械的特性に加えて、制御の可能性もまた、その使用に決定的な役割を果たしています。PIが開発したコントローラは、あらゆる一般的な開発環境に対応するSWインターフェースを備えており、それぞれの実験の要求に応じて、ドライブを正確に制御することができます。それだけではありません:通常、1つのコントローラで複数の軸を同時に制御することが多いのですが、PIのコントローラはさまざまな技術にまたがってそれを行うことができるのです。例えば、ステッピングモータで駆動する軸と超音波モータで駆動する軸を1つのコントローラで操作することができます。これにより、協調動作が可能になり、システムの挙動がよりダイナミックになります。また、すべてのPIコントローラで共通の標準化された「General Command Set」(GCS)もこれをサポートしています。GCS(General Command Set)は、ドライブの原理にかかわらず、PIのポジショニングシステム内での互換性を最大限に確保し、更新やアップグレードを容易にしています。これにより、起動、操作、プログラミングが非常に簡単になります:様々なポジショニングシステムを同時に操作することができ、最小限のプログラミング作業で新しいシステムを統合することができます。また、GCSは顧客固有のアプリケーションの開発を大幅に簡素化します。

また、IDチップを使用することで、PIポジショナを簡単に使用することができます。センサやアクチュエータの校正データを保存します。初めてインストールする際には、コントローラがこのデータを読み取るので、ユーザが手間のかかるパラメータ設定をする必要がありません。

選択の苦悩。用途に合わせたポジショナーは?

どのポジショニングシステムが適しているかという質問には、一概には答えられません。開発の決め手となるのは以下の要素です:

  • 移動範囲はどのくらいですか?
  • サンプルや光学系の位置決めはどの程度正確に行う必要がありますか?How accurate must positioning of the sample or optics be?
  • ダイナミクスに必要な条件は何ですか?
  • どのくらいのスペースが必要なのか、あるいは利用可能なのか?
  • 他に考慮しなければならない制約は?
    例えば:温度範囲、環境(圧力、湿度)、磁気...

幅広いドライブテクノロジとそれに基づく位置決めシステムにより、PIはほとんどすべてのアプリケーションに適したソリューションを見つけることができます。特別な訓練を受けたアプリケーションエキスパートが、選考プロセスをサポートします。

無数のアプリケーション例

Flamingoライトシート顕微鏡の回転プラットフォームの例は、PIの多様なモーションシステムやポジショニングシステムが使用されている数多くの顕微鏡オープンソースプロジェクトを示しています。ヤン ハウスケン教授は、FlamingoプロジェクトにPIを選んだ理由を次のように述べています:「PIとパートナーシップを組むことで、これらの機器をより精密にし、高分解能の顕微鏡に最適なマイクロポジショニングを使用することができます。 [...] PIとは長い間仕事をしてきており、彼らのステージも同じくらい長く使用してきました。 [...] その性能に非常に満足しており、Flamingoでも使用することにしました。」 ハウスケン教授のインタビューの全文はこちらからご覧いただけます:

前述のFlamingo、Iso-View、Gattascopeプロジェクトに加えて、PIシステムは、イェール大学のヨルグ ベヴェルスドルフ教授の4PIプロジェクト、PhDのファビアン F.フォークト氏と チューリッヒ大学のフリッチョフ ヘルムチェン教授のMesoSPIM、ロンドンのインペリアルカレッジのOpenScopesプロジェクト、その他多くのプロジェクトで使用されています。

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