JP2005530195A - 顕微鏡観察試料操作用マニピュレーション・システム - Google Patents

Abstract

【課題】
【解決手段】 顕微鏡を用いて観察中の試料の操作を可能にするシステム及び方法を開示する。１つの実施形態において、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）及び走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）など複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも連結するようにマニピュレーション・システムが適応可能であり、前記マニピュレーション・システムは試料を操作する働きをする少なくとも１つのマニピュレーション機構を有する。別の実施形態において、マニピュレーション・システムをＴＥＭのような顕微鏡に取り外し可能な方法で連結することが可能であり、前記マニピュレーション・システムは試料を操作するための複数のマニピュレータ機構を有する。好ましい実施形態において、前記マニピュレーション・システムは複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも選択的に連結できるように調整可能なインターフェイスと、そこに統合されたそのような顕微鏡を用いて観察される試料を操作する働きをする制御可能な複数のマニピュレータ機構とを併せ持つ。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、共存出願であり同一出願人である「顕微鏡観察試料操作用モジュラー・マニピュレーション・システム（ＭＯＤＵＬＡＲ ＭＡＮＩＰＵＬＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ ＦＯＲ ＭＡＮＩＰＵＬＡＴＩＮＧ Ａ ＳＡＭＰＬＥ ＵＮＤＥＲ ＳＴＵＤＹ ＷＩＴＨ Ａ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＥ）」と題する米国特許出願番号第１０／１７３，５４３号に関連するものであり、この開示はこの参照により本明細書に組み込まれるものである。

本発明は全般に顕微鏡観察中の試料を操作するためのマニピュレーション・システムに関するものであり、具体的には、少なくとも１つのタイプの顕微鏡と連結する取り外し可能なインターフェイスと、試料を載せるための試料台と、試料台に受け取った試料を操作するための少なくとも１つのマニピュレータ機構とを有するマニピュレーション・システムに関するものである。

マイクロメートル（μｍ）及びナノメートル（ｎｍ）サイズスケールにおいて、多くの開発がなされている。例えば、これら微小スケールで、生物学、医学、物理学、化学、電子学、工学、ナノテクノロジーのような科学分野において、物体（例えば物質、微生物、ウィルス、細菌など）の研究、新規物体の創出、及び／または物体の極めて精巧なアセンブルのために、かなりの研究が行われている。

そのような微小サイズスケールでの物体の操作において、前記物体の観察を補助するために、多くの場合顕微鏡装置の使用が必要とされる。例えば、人間が裸眼で見ることのできる最少の物体は約０．１ミリメートル（ｍｍ）である。適正な光学顕微鏡（ｌｉｇｈｔ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ若しくはｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いることで、像を約１５００倍に拡大することができる。しかし、光学顕微鏡を用いて拡大可能な範囲は、そのような顕微鏡操作を行う基になる光の物理的性質（すなわち光の波長）によって限定される。例えば、光学顕微鏡は比較的限定された分解能（非常に近接する２つの点の間を明確に見分ける能力）を持つ。前記分解能αは、前記器具により的確に検知可能な方法で分離される２点源の角距離によって測定される。この角度が小さいほど、その分解能は大きい。ゆえに、一般にα＝１．２２λ／Ｄにおいて、使用される光波長がλであり、対物レンズの直径をメートル単位（ｍ）で表したものがＤである。光学顕微鏡を用いて得られる最高の分解能は約０．２μｍである。これ以上近接した点を分離した点として明確に見分けることは、光学顕微鏡ではできない。

当然、物体を見るために顕微鏡に用いられる放射能の波長を下げることによって、達成可能な分解能を上げることができる。このため、従来の光学顕微鏡には小さ過ぎる物体を研究するために、光ではなく電子ビームを使う電子顕微鏡が開発された。Ｍａｘ ＫｎｏｌｌとＥｒｎｓｔ Ｒｕｓｋａが最初の電子顕微鏡を組み立てたのは１９３０年ごろである。一般に電子顕微鏡は、観察対象の試料に放射線を当てるために電子ビームを使い、前記顕微鏡においてそのような電子ビーム（一般に前記ビームに作用する磁力の結果による）の波長は、光学顕微鏡に使われる光波長よりもはるかに小さい。従って、電子顕微鏡を用いて可能な拡大規模（及び分解能）は、光学顕微鏡のそれに比べてはるかに優れている。

現代の電子顕微鏡は典型的に、（１）加速電子ビームを発する電子銃と、（２）静電レンズ（例えば通常電子磁石または永久磁石によって形成される）及び電子ビームを制限し、且つ絞込み、試料表面を通過させ、拡大像を創出する金属アパーチャを有する像の生成システムと、（３）典型的に写真乾板または蛍光画面を含む像観察・記録システムと、（４）空気分子が電子をその通り道から偏向させる可能性があるため、前記顕微鏡を高真空下に保持するための真空ポンプとを有する。前記電子顕微鏡の開発は多岐に亘る科学分野においての知識と理解に非常に大きな影響を与えた。現代の電子顕微鏡は、ナノメートル以下の分解能（例えば、従来の光学顕微鏡の１０００倍の分解能である０．１ｎｍ）によって、最高１００万倍で原子レベルの詳細を見ることができる。

様々な異なるタイプの電子顕微鏡が開発されてきた。そのような電子顕微鏡は一般に光とは対照的に方向性のある電子ビームを用いて試料を観察するという上述の原則で機能する。電子顕微鏡の１つのタイプに、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）がある。ＴＥＭの場合、薄く切った試料を電子が透過し、蛍光画面または写真版上に像を形成するのが典型的である。前記試料の比較的密度の高い部分は、透過する電子が少なくなる（すなわちより多くの電子が拡散する）ため、結果として得られる像が暗くなる。ＴＥＭは最高１００万倍の倍率まで拡大可能で、例えばウィルスや動植物の細胞の構造を観察するために生物学及び医学のような科学分野で特に多用されている。

電子顕微鏡の別のタイプに、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）がある。ＳＥＭの場合、電子ビームは１点に焦点を当て、前記試料の表面を走査する。検出器が前記表面からの後方散乱電子及び２次電子を収集し、試料のリアルな３次元像の生成に使われる信号に変換する。前記走査工程の間、前記検出器が表面のくぼみから受け取る電子は少なくなるため、結果的に得られる像において前記表面の低い部分は暗くなる。ＳＥＭｓでは一般に前記試料は導電性でなくてはならない。ゆえに、導電性でない試料は一般に走査前に（例えばスパッタコーター（ｓｐｕｔｔｅｒ ｃｏａｔｅｒ）などを使い）金属（多くの場合、金）のコーティングされる。ＳＥＭは約１０万倍若しくはそれ以上の倍率の拡大が可能であり、特に生物学、医学、物理学、化学、工学のような科学分野で、例えば金属やセラミックから血球や昆虫の体まで、表面の３次元構造の研究などに多用されている。

上述の光学および電子顕微鏡に加え、マイクロ及び／またはナノスケールの物体の観察を補助するために、これに限定されるものではないが例えば原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）、走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）、走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、近接場光学走査顕微鏡（ＮＯＳＭ）など、その他様々なタイプの顕微鏡が開発されてきた。顕微鏡は伝統的に（例えば試料を見るための）結像に用いられてきた。しかし最近の傾向として、その有用性を高めるために、前記顕微鏡によって結像される試料を走査するために、前記顕微鏡と併用することのできるマニピュレータ機構を含めるようになってきた。例えば、ＳＥＭによる試料の結像を操作するために、ＳＥＭ内部に統合されるプローブのようなマニピュレータ機構が開発された。例えばＬＥＯ ＥＬＥＣＴＲＯＮ ＭＩＣＲＯＳＣＯＰＹ ＬＴＤ．は、ＳＥＭと共に使用するための特定のマニピュレータ機構を提案した。さらに、ＴＥＭにより結像される試料を操作するために、ＴＥＭ内部に統合されるプローブのようなマニピュレータ機構が開発された。例えばＮＡＮＯＦＡＣＴＯＲＹ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳは、ＴＥＭのための特定のｉｎ ｓｉｔｕプローブを提案した。

さらに、取り外し可能な方法でＴＥＭに連結することのできる取り外し可能なマニピュレータ機構が開発されてきた。例えばＮＡＮＯＦＡＣＴＯＲＹ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ が、そのようなように取り外し可能なマニピュレータ機構を提案した。前記取り外し可能なマニピュレータ機構は、ＴＥＭで結像して見る試料を載せる試料台を有し、更に試料を操作するためのプローブのようなエンドエフェクタを１つ有する。前記取り外し可能なマニピュレータ機構は、前記エンドエフェクタ粗調整用の比較的長距離の動作をする働きをする第１のアクチュエータ機構を有し、更に比較的細かい正確な位置づけをする働きをする第２アクチュエータ機構を有する。

従って操作においては、前記取り外し可能なマニピュレータ機構の試料台の上に試料を載せ、次に前記取り外し可能なマニピュレータ機構をＴＥＭの試料チェンバーに挿入する。前記マニピュレータ機構の第１のアクチュエータ機構を活用し、前記エンドエフェクタを前記試料台に載せられた試料に対して初期配置する。そのような第１のアクチュエータ機構は、比較的粗精度の比較的長距離の動作をする、例えばロングステッパー・マイクロアクチュエータなどを有することができる（前記ロングステッパー・マイクロアクチュエータのステップ分解能による）。従って、第１のアクチュエータは、前記試料台に載せられた試料に対する前記エンドエフェクタの比較的粗い調整をする。その後、前記第２アクチュエータ機構を使って前記試料台に配置された試料の操作を比較的細かく精度の高い動作で行うことができる。

市販されているＴＥＭは、前記マニピュレータ機構が挿入される試料チェンバーのサイズが比較的限られているため、既存技術によるそのような取り外し可能なマニピュレータ機構は、試料操作用のマニピュレータ（エンドエフェクタ）を１つ有するのみである。また、前記既存技術によるそのような取り外し可能なマニピュレータ機構はこれまでＴＥＭにのみ使用でき、他のタイプの顕微鏡では使用することができない。

上述のように、そのような顕微鏡群による試料の結像を操作するために、ＳＥＭ及びＴＥＭのような顕微鏡と共に使用するためのマニピュレータ機構（例えばプローブ）が開発されてきた。伝統的にそのようなマニピュレータ機構は、特定のタイプの顕微鏡と併用するために開発されてきた。例えば、ＳＥＭ用に開発されたマニピュレータ機構はＴＥＭでは使うことができず、ＴＥＭ用のものはＳＥＭには使えない。更に、あるＳＥＭ（例えばあるタイプのモデル）用に開発されたマニピュレータ機構は、異なるタイプのＳＥＭ（例えば異なるモデル）に使えないことがある。従って、既存技術のマニピュレータ機構には柔軟性が欠けており、異なるタイプの顕微鏡インターフェイスに使うことができない。すなわち、既存技術のマニピュレータ機構には、異なるタイプの顕微鏡に使用するための、容易に適応である柔軟なインターフェイスがない。更に、取り外し可能なマニピュレータ機構がＴＥＭ用に開発されたても、この取り外し可能なマニピュレータ機構には、試料を操作するためのマニピュレータ（または「エンドエフェクタ」）が１つしかない。

従って、複数の異なるタイプの顕微鏡に使うことのできる「万能」マニピュレータ機構が望まれている。すなわち、複数の異なるタイプの顕微鏡インターフェイスのいずれに対してもそのマニピュレータ機構を連結することができるように適応可能なインターフェイスを有するマニピュレータ機構が望まれている。好ましくは、このようなマニピュレータ機構は、このような顕微鏡の正常な操作（例えば結像機能）に支障をきたさずに、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも連結可能であることである。従って、操作能力を与えるためにこのようなマニピュレータ機構を例えばＳＥＭまたはＴＥＭのような顕微鏡と連結しても、好ましくは前記顕微鏡の標準機能（例えば結像機能）を利用しようとする使用者が支障をきたさないことである。更に、ＴＥＭ及び／またはＳＥＭのような顕微鏡に取り外し可能な方法で連結可能であり、且つそのような顕微鏡を用いて観察する試料を操作する働きをする制御可能な複数のマニピュレータを有する、取り外し可能なマニピュレータ機構が望まれる。

本発明は、顕微鏡観察中の試料の操作を可能にするシステム及び方法を与えることを目的とする。本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも連結するようにマニピュレーション・システムを適応することができる。例えば、本発明の１つの実施形態のマニピュレーション・システムは、複数の異なる顕微鏡インターフェイスに適合するように調整可能なインターフェイスを有する。前記マニピュレーション・システムは更に、試料を操作する働きをするマニピュレーション機構を少なくとも１つ有する。

本発明の１つの実施形態によれば、顕微鏡で見るための試料を保持するポータブル試料ホルダーが提供される。前記ポータブル試料ホルダーは、試料を載せる台と、載せた試料を操作するための少なくとも１つのマニピュレーション機構と、顕微鏡と連結するためのインターフェイスとを有する。特定の実施形態においては、前記ポータブル試料ホルダーは、載せられた試料を操作するためのマニピュレーション機構を複数有する。例えば、１つの実施形態において前記ポータブル試料ホルダーは、このようなマニピュレーション機構を少なくとも４つ有する。複数のマニピュレーション機構を有することによって、伝統的には利用不可能であった、試料に対する様々な測定を行うことが可能である。更に、特定の実施形態においては、複数の異なるタイプの顕微鏡インターフェイスに適合するように前記ポータブル試料ホルダーのインターフェイスを適応することができる。例えば１つの実施形態において、少なくとも透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイス及び走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）インターフェイスに適合するように、前記インターフェイスを適応することができる。

また、本発明の１つの実施形態は、試料の観察に顕微鏡を使う方法を提供する。前記方法は複数の異なるタイプの顕微鏡の目的とするタイプを選択する工程を有し、前記複数の異なるタイプの顕微鏡は、試料ホルダーを受け取るためにそれぞれ異なるタイプのインターフェイスを持つ。前記方法は更に、目的とするタイプの顕微鏡のインターフェイスに適合するために試料ホルダーのインターフェイスを調整する工程を有し、前記方法において前記試料ホルダーのインターフェイスは、試料ホルダーが連結される、異なる顕微鏡インターフェイスのいずれのタイプにも適合するように調整可能である。前記方法は更に、前記試料ホルダーに試料を載せる工程と、前記試料ホルダーを目的とするタイプの顕微鏡に連結する工程とを有し、それによって前記試料を前記目的とするタイプの顕微鏡によって結像することができる。特定の実施形態において、前記試料ホルダーは少なくとも１つのマニピュレーション機構を有し、前記方法は更に、そのようなマニピュレーション機構を用いて前記試料を操作する方法を有する。

従って本発明の特定の実施形態は、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれにも利用し得る、優れた柔軟性を持つマニピュレーション・システムを提供する。特定の実施形態は試料ホルダー内部に統合されるマニピュレーション・システムを提供し、前記試料ホルダーは、そのような試料ホルダーと連結される異なったインターフェイスを持つ、複数の異なる顕微鏡のいずれにもこのような試料ホルダーを連結することができるように調整可能なインターフェイスを有する。

本発明の実施形態のマニピュレーション・システムは、そのような顕微鏡の正常な操作（例えば結像機能）に支障をきたさずに、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも連結可能であるのが好ましい。従って、観察する試料を操作する能力を与えるために前記マニピュレーション・システムを例えばＳＥＭまたはＴＥＭのような顕微鏡と連結するが、好ましくは前記顕微鏡の標準機能（例えば結像機能）を利用しようとする使用者には支障をきたさないことである。

本発明の少なくとも１つの実施形態によれば、取り外し可能な方法で顕微鏡に連結することのできるマニピュレーション・システムは、試料を操作するための複数のマニピュレータ機構を有する。例えば、少なくとも１つの実施形態によれば、試料ホルダーは複数のマニピュレーション機構を有し、各マニピュレータ機構はエンドエフェクタと、このようなエンドエフェクタの動作を可能にするアクチュエータ機構とを含む。好ましくは、このようなアクチュエータ機構は、顕微鏡観察中の試料を操作するための比較的細かい動作（例えばナノメートル・スケールもしくはそれ以上の精度）を前記エンドエフェクタに与える。操作において、そのようなエンドエフェクタを初期位置に配置するために、前記試料ホルダーから独立した調整機構を用いて前記試料ホルダーのエンドエフェクタの比較的粗い調整を行うことができる。その後、前記試料ホルダーを顕微鏡に連結し（例えば顕微鏡の前記試料チェンバーに挿入することができる）前記顕微鏡観察中の試料を操作するために、前記試料ホルダーのアクチュエータを用いてそのエンドエフェクタを動かして、このようなエンドエフェクタを正確に位置づけることができる。

例えば１つの実施形態によれば、システムは試料ホルダーを有し、前記試料ホルダーは試料を載せる試料台と、前記試料台に載せた試料を顕微鏡で観察することができるようにする、前記試料ホルダーを前記顕微鏡に連結するためのインターフェイスと、載せられた試料を操作するための複数のマニピュレータ手段とを含む。好ましくは、そのような複数のマニピュレータ手段はそれぞれエンドエフェクタを有し、このような複数のマニピュレータ手段はそれぞれ対応するエンドエフェクタを初期位置から目的とする位置へ正確に移動するためのアクチュエータ手段を有する。前記システムは更に、前記試料ホルダーから独立した調整手段を有し、前記システムにおいてこのような調整手段は、そのようなマニピュレータ機構のエンドエフェクタを初期位置に置くための試料ホルダーのマニピュレータ機構を少なくとも１つ粗調整する働きをする。

従って、本発明の特定の実施形態はマニピュレーション・システムを提供し、前記マニピュレーション・システムは取り外し可能な方法で顕微鏡に連結されるインターフェイスを有し、更に試料を操作するための複数のマニピュレータ機構を有する。好ましくは、前記複数のマニピュレータ機構はそれぞれエンドエフェクタと、このようなエンドエフェクタを動かすためのアクチュエータとを有する。好ましくは、前記アクチュエータは、前記マニピュレーション・システムに含まれる前記複数のエンドエフェクタの自立動作を可能にするよう、それぞれ独立に動作可能である。特定の実施形態においてそのようなマニピュレーション・システムは、顕微鏡の試料チェンバーに取り外し可能な方法で連結されるインターフェイスを有する試料ホルダー内部に統合される。

以下に記述する本発明の詳細な説明の理解に役立てるために、本発明の特徴と技術的利点を上記において比較的簡単に記述した。以下に、本発明の請求項の主題を成す本発明の更なる特徴と利点を記述する。前記技術分野の当業者であれば、ここに開示する概念と具体的な実施形態を基本としてそのまま活用し、本発明と同じ目的を達成するその他の構造を変更または設計できることを理解すべきである。また、当業者であれば、そのような同等の構造が、添付の請求項が定める本発明の意図と範囲から逸脱するものではないことを理解するべきである。本発明に特有と思われる新規の特徴は、その機構及び操作方法のいずれに関しても、また更なる目的と利点に関しても、以下の説明とそれに伴う図面を合わせて考慮することによって更によく理解されるであろう。しかし、前記各図面は例証と説明のみを目的として提供するものであり、本発明の限定を定める意図を持たないものとして明確に理解されるべきである。

次に添付の図面を参考に本発明の様々な実施形態について説明するが、複数の図面を通し一貫して同様の参照番号は同様の部品を表す。本発明の特定の実施形態に従い、複数の異なるタイプの顕微鏡のためのインターフェイスを有するマニピュレーション・システムを提供する。例えば、好ましくは前記マニピュレーション・システムは、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも適合するように適応可能である、調整可能なインターフェイスを有する。１つの実施形態において、前記マニピュレーション・システムは、少なくともＳＥＭ及びＴＥＭのような複数の異なるタイプの電子顕微鏡と共に用いるために適応可能なインターフェイスを有する。特定の実施形態において、前記マニピュレーション・システムは、電子顕微鏡に加えて、その他の電子顕微鏡または電子顕微鏡ではなくその他の顕微鏡のタイプと共に用いるために適応可能なインターフェイスを有する。

前記マニピュレーション・システムは更に、前記操作システムを連結した顕微鏡によって結像する試料（または「試料」）を操作するための少なくとも１つのマニピュレーション機構を有する。そのようなマニピュレーション機構は様々なマニピュレーション機構のタイプのいずれかを有することができ、前記顕微鏡観察中の試料を操作するための前記マニピュレーション機構のタイプとしてプローブ（圧電性またはカンチレバーフォースプローブ、あるいは熱プローブなどを含む）、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、ホースなどが含まれるが、これに限定されるものではない。最も好ましくは、前記マニピュレーション・システムは観察する試料を操作するための複数のマニピュレーション機構を有する。好ましくは、前記マニピュレーション機構においてナノメートル・スケールの制御された操作（本明細書において前記を指して「ナノ操作」と呼ぶ）が可能である。例えば、好ましくは前記マニピュレーション機構は（例えば前記機構に連結されるアクチュエーション機構を介しての）ナノメートル・スケールの精度で制御動作が可能である。

本明細書では「マニピュレーション／操作（ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）」は最も広い意味で用いられ、観察する試料に変化を与える動作のみに限定するものではない。むしろ、ある種類の操作では前記試料を一切変更することなく、前記試料の観察（例えば前記試料の具体的な性質の測定）を補助するものである。例えば、Ｗｅｂｓｔｅｒによれば「操作する（ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ）」とは「特に巧妙に手動または機械的方法で扱うこと（ｔｒｅａｔ）、または動作あるいは操作すること（ｏｐｅｒａｔｅ）」である。ＭＥＲＲＩＡＭ−ＷＥＢＳＴＥＲ’Ｓ ＣＯＬＬＥＧＩＡＴＥ ＤＩＣＴＩＯＮＡＲＹ， ＤＥＬＵＸＥ Ｅｄｉｔｉｏｎ，１９９８ （ＩＳＢＮ ０−８７７７９−７１４−５）。本明細書で用いる「操作する（ｍａｎｉｐｕｌａｔｅ）」という言葉（及び「マニピュレーション／操作（ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ）」など前記言葉のバリエーション）は、それが試料を「扱うこと（ｔｒｅａｔｉｎｇ）」または「動作あるいは操作すること（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ）」を含むＷｅｂｓｔｅｒの定義を含み、それは必ずしも前記試料に変更を加えることではない（むしろ場合によっては単に前記試料の性質を観察する補助をすることである）。しかし、下記に更に説明するように、操作のタイプは「機械的な手段」によって行われる操作に限定されるものではなく、電気的な手段など他の様々なタイプの操作手段を包含することを意図するものである。

本発明の特定の実施形態において、前記マニピュレーション・システムは試料ホルダーを有し、前記試料ホルダーは顕微鏡による結像及び／またはマニピュレーション機構による操作の対象である試料を載せる台部を含む。更に、前記試料ホルダーは少なくとも１つのマニピュレーション機構を有し、前記マニピュレーション機構が前記試料ホルダーを連結した顕微鏡によって試料を結像する間に、前記台部に載せられた試料を操作する働きをするように制御可能である。好ましくは、そのような少なくとも１つのマニピュレーション機構は、ナノメートル・スケールの精度（またはそれ以上の、例えばサブナノメートル・スケールの精度）で操作可能である。従って、本発明の特定の実施形態は、顕微鏡に連結可能な試料ホルダーを有し、このような試料ホルダーはそこに統合されたマニピュレーション機構を有する。

好ましくは前記試料ホルダーは、調整可能なインターフェイスを有し、複数の異なるタイプの顕微鏡に前記試料ホルダーを取り外し可能な方法で連結することができるようにするために適応可能である。従って、操作においては、結像及び／または操作される試料が前記試料ホルダーの台部に載せられる。選択した顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＥＭ等）に前記試料ホルダーを連結可能とするように、前記試料ホルダーのインターフェイスを調整することができ、次に前記選択した顕微鏡に前記試料ホルダーが連結される。次に前記試料ホルダーに含まれるマニピュレーション機構を用い、前記顕微鏡によるそのような試料の結像を行う間、前記試料を操作することができる。その後、前記試料ホルダーを前記顕微鏡から取り外し、そのような試料ホルダーと連結される、異なるタイプのインターフェイスを有する異なるタイプの顕微鏡に連結することができるように、そのインターフェイスを調整することができる。

従って、本発明の特定の実施形態は、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれにも利用し得る、優れた柔軟性を持つマニピュレーション・システムを提供する。上記で簡単に説明したように、特定の実施形態は試料ホルダー内部に統合されるマニピュレーション・システムを提供し、前記試料ホルダーは、そのような試料ホルダーと連結される、異なったインターフェイスを持つ複数の異なる顕微鏡のいずれにもそのような試料ホルダーを連結することができるように調整可能なインターフェイスを有する。

本発明の特定の実施形態のマニピュレーション・システムは、そのような顕微鏡の正常な操作（例えば結像機能）に支障をきたさずに、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれとも連結可能であるのが好ましい。従って、観察する試料を操作する能力を与えるために、前記マニピュレーション・システムを例えばＳＥＭまたはＴＥＭのような顕微鏡と連結するが、前記顕微鏡の標準機能（例えば結像機能）を利用する使用者には支障をきたさないことが好ましい。

本発明の特定の実施形態において、取り外し可能な方法で顕微鏡に連結することのできるマニピュレーション・システムは、試料を操作するための複数のマニピュレータ機構を有する。例えば、少なくとも１つの実施形態によれば、試料ホルダーは複数のマニピュレータ機構を有し、各マニピュレータ機構はエンドエフェクタと、そのようなエンドエフェクタの動作を可能にするアクチュエータ機構とを含む。好ましくは、そのようなアクチュエータ機構は、顕微鏡観察中の試料を操作するための比較的細かい動作（例えばナノメートル・スケールもしくはそれ以上の精度）を前記エンドエフェクタに与える。操作では、前記試料ホルダーから独立した調整機構を使い、そのようなエンドエフェクタを初期位置に配置するために、前記試料ホルダーのエンドエフェクタの比較的粗い調整を行うことができる。その後、前記試料ホルダーを顕微鏡に連結し（例えば顕微鏡の前記試料チェンバーに挿入することができる）、前記顕微鏡観察中の試料を操作するためにそのようなエンドエフェクタを正確に位置づけるために、前記試料ホルダーのアクチュエータを用いてそのエンドエフェクタを動かすことができる。

従って、本発明の特定の実施形態はマニピュレーション・システムを提供し、このマニピュレーション・システムは取り外し可能な方法で顕微鏡に連結されるインターフェイスを有し、更に試料を操作するための複数のマニピュレータ機構を有する。好ましくは、前記複数のマニピュレータ機構はそれぞれエンドエフェクタと、そのようなエンドエフェクタを動かすためのアクチュエータとを有する。好ましくは、前記アクチュエータは、前記マニピュレーション・システムに含まれる前記複数のエンドエフェクタの自立動作を可能にするよう、それぞれ独立に動作可能である。特定の実施形態においてそのようなマニピュレーション・システムは、顕微鏡の試料チェンバーに取り外し可能な方法で連結されるインターフェイスを有する試料ホルダー内部に統合される。

上述のように、顕微鏡はマイクロメートル及び／またはナノメートル・スケールで試料を分析または取り扱う上で重要な役割を果たす。そのような微小サイズスケールで試料を観察するために、光学顕微鏡、電子顕微鏡（ＴＥＭ、ＳＥＭなど）、ＳＰＭなど、あるいはこれらに限定されない様々な異なるタイプの顕微鏡が開発されてきた。本発明の代替実施形態を既知若しくは最近開発された１若しくはそれ以上の顕微鏡タイプに応用することができるが、本発明の好ましい実施形態は電子顕微鏡に応用できるものである。従って、本発明の特定の実施形態が提供する利点の一部についてより良く理解するために、既存技術で入手可能な電子顕微鏡の例を図１及び２と共に示し、更に詳細を以下に説明する。１−２ より具体的には、ＴＥＭの典型的構造を図１と共に説明し、ＳＥＭの典型的構造を図２と共に説明する。複数のマニピュレータ機構、及び／またはＳＥＭ若しくはＴＥＭに選択的にマニピュレーション・システムを連結可能にする、適応可能なインターフェイスを有するマニピュレーション・システムの好ましい実施形態の具体例を、図３Ａ〜３Ｂ、５、６と共に更に詳細に以下で説明する。

ＴＥＭ及びＳＥＭの典型的構造については以下で図１〜２と共に説明するが、本発明の実施形態がここで説明する構造例に限定されないことを理解すべきである。むしろ、本発明の特定の実施形態は、既知若しくは最近開発されたＴＥＭ及びＳＥＭのその他の構造と共に利用され得るものである。更に、少なくとも１つの実施形態は、複数の異なるタイプの電子顕微鏡（例えばＴＥＭ及びＳＥＭ）のいずれにも利用可能なマニピュレーション・システムを提供するが、本発明の他の特定の実施形態は、電子顕微鏡に加え、または電子顕微鏡の代わりに、既知若しくは最近開発された１若しくはそれ以上のその他のタイプの顕微鏡と共にそのようなマニピュレーション・システムを利用可能にするように適応可能なインターフェイスを有し得るものである。更に、少なくとも１つの実施形態は、取り外し可能な方法で電子顕微鏡（例えばＴＥＭ及び／またはＳＥＭ）と連結されるインターフェイスを有し、且つ複数のマニピュレータ機構を有するマニピュレーション・システムを提供するが、本発明の他の特定の実施形態においてそのようなマニピュレーション・システムは、電子顕微鏡に加え、若しくは電子顕微鏡の代わりに、１若しくはそれ以上の既知若しくは最近開発された顕微鏡のタイプと取り外し可能な方法で連結するためのインターフェイスを有し得るものである。

上記で簡単に説明したように、電子顕微鏡は、高エネルギー電子ビームを用いて非常に細かいスケールで試料を検査する科学機器である。この検査によって以下を含む非常に多くの情報が与えられる。（１）トポグラフィーすなわち試料の表面的特徴または「外観」、その質感（テクスチャ）についてであり、前記特徴と物質特性（硬度、反射力）の間の直接的関係、（２）モルフォロジーすなわち前記試料を成す粒子の形と粒径についてであり、これらの構造と物質特性（延性、強度、反応力等）の間の直接的関係、（３）組成すなわち前記試料が有する元素と化合物、及びそれらの相対的な量についてであり、組成物質の物質特性（融点、反応力、硬度等）間の直接的関係、及び（４）結晶情報すなわち前記試料内での原子の配列についてであり、これらの配列と物質特性（伝導性、電気的性質、強度等）の間の直接的関係。

光学顕微鏡は光の物理特性（すなわち光波長）による制約を受け、５００倍または１０００倍までの拡大及び０．２μｍまでの分解能という限界があるため、電子顕微鏡が開発された。１９３０年代初めに、光学顕微鏡に関するこの理論上の限界に達し、科学界では有機細胞（細胞核、ミトコンドリア等）の内部構造の詳細を観察することが望まれていた。これには１０，０００倍以上の拡大が必要であり、それは光学顕微鏡では不可能なことであった。光学顕微鏡に使用される光波長による制約を克服するために、電子ビームを使って試料に放射線を当てる電子顕微鏡が開発された。

一般に電子顕微鏡は光学顕微鏡と類似の働きをするが、光の代わりに電子の集中ビームを使って試料を「結像」し、その構造と組成に関する情報を得る点が光学顕微鏡と異なる。電子顕微鏡の操作は一般に以下を含む。（１）（例えば電子源により）電子流を形成、正電位を用いてそれを試料に向けて加速。（２）金属アパーチャと磁性レンズを用い、この電子流を閉じ込め集中させて細く集中したモノクロビームにする。（３）静電レンズ（一般に磁性レンズ）を用いてこのビームの焦点を試料に当てる。（４）照射された試料内部で相互作用が起き、前記電子ビームに作用する。

まず図１を参照すると、ＴＥＭ１００の構造例の図面が示されている。ＴＥＭは最初に開発されたタイプの電子顕微鏡であり、試料を「透視」するために光ではなく電子の集中ビームが使われる点を除き、光学透過顕微鏡の原型に則した造りである。ＴＥＭの作用はスライド投影機とよく似ている。スライド投影機は光ビームにスライドを通過（透過）させ、光がスライドを通過する際にスライド上の構造と物体による影響を受ける。これらの影響を受けるのは、スライドの一部を透過する光ビームの一部だけである。次にこの透過されたビームが表示画面上に投影され、スライドの拡大像が作られる。ＴＥＭは一般にこれと同じように作用するが、（スライド投影機においてスライドであるのに対し）試料を（光よりむしろ）電子ビームが照射する。典型的に、あらゆる透過された部分が蛍光スクリーンに投影されたものを使用者は見ることになる。更に図１と共に、典型的なＴＥＭのより技術的な説明を以下に記す。

図１の構造例が示すように、ＴＥＭ１００は電子銃を有し得る電子源１０１を有し、モノクロ電子流１０２を作り出す。コンデンサーレンズ１０３と１０４を用い、電子流１０２を小さく細い凝集した集中ビームにする。第１のコンデンサーレンズ（１０３）は、通常前記ＴＥＭの「スポットサイズのノブ」（図示せず）によって制御され、「スポットサイズ」（すなわち試料に当たる最終スポットの全体的なサイズの範囲）を大体定める。第２のレンズ（１０４）は、通常前記ＴＥＭの「強度または輝度のノブ」（図示せず）によって制御され、試料に当たるスポットのサイズを実際に変更する（例えば、広く分散したスポットから一点に集中したビームに変える）。前記ビーム１０２は前記コンデンサーアパーチャ１０５（通常使用者が選択可能）によって狭められ、高角電子（前記光軸１１４から遠くにある電子）が取り除かれる。前記ビーム１０２が前記試料（または「標本」）１０６に当たり、その一部が前記試料を透過する。ビーム１０２のうち透過した部分は対物レンズ１０７によって集束され結像する。

前記ビームを狭めるために、任意で対物及び選択領域金属アパーチャ（前者は１０８、後者を１０９）を含めることができる。前記対物アパーチャ１０８は高角回折電子を遮断することによってコントラストを強調し、前記選択領域アパーチャ１０９は前記試料１０６の原子を順に配列することによって電子の周期回折の調査を可能にする。結像は、カラムの中を中間レンズ１１０及び１１１と投影レンズ１１２を通過して降りるにつれて拡大される。前記結像が蛍光結像スクリーン１１３に当たり光が作り出されると、前記結像が使用者の目に映る。典型的に、前記結像の比較的暗い部分は前記試料１０６の中でもより少ない電子が透過した部分（すなわち前記試料１０６の比較的厚いまたは密度の高い部分）であり、比較的明るい部分は前記試料１０６の中でもより多くの電子が透過した部分（すなわち前記試料１０６の比較的薄いまたは密度の低い部分）である。

図１が更に示すように、ＴＥＭは典型的に試料チェンバー１１５を有し、結像する試料１０６が前記チェンバーに置かれる。例えば、チェンバー１１５から取り外し可能な試料ホルダーは、試料１０６を置くことができる台部を有し得るものである。従って、試料１０６は試料ホルダーの台の上に置き、次に前記試料ホルダーを試料チェンバー１１５に挿入することができる。試料チェンバー１１５はそのような試料ホルダーを受け入れるための定められたインターフェイスを有する。例えば、市販のＴＥＭの試料チェンバーは典型的に、全体に約直径３ｍｍの薄い試料を載せるための、厚さ３ｍｍ、幅９ｍｍ、長さ約９ｃｍの標準ＴＥＭ試料ホルダーを受け入れるインターフェイスを有する。

図２を参照すると、ＳＥＭの構造例が示されている。図２はＳＥＭの代表的構造の高レベルのブロック図２００ａと模式図２００ｂとを示す。図が示すように、ＳＥＭ２００は電子源２０１を有し、前記電子源はモノクロ電子流２０２を作り出すための電子銃を有し得るものである。作り出された電子流２０２の方向を下記で説明するＳＥＭの構成要素と整合するために、アラインメントコントロール２０３が使われる。

電子流２０２は第１のコンデンサーレンズ２０５によって凝集され、通常前記ＳＥＭの「粗プローブ流ノブ（コース・プローブ・カレント・ノブ）」（図示せず）によって制御されるる。このレンズ２０５は、前記ビームの形成と前記ビーム内の流量の制限との両方の役割を果たす。前記レンズは前記コンデンサーアパーチャ２０６と共に作用し、前記ビームから高角電子を取り除く。前記ビームは前記コンデンサーアパーチャ２０６（通常使用者が選択することはできない）によって収縮され、高角電子が一部取り除かれる。通常前記ＳＥＭの「微小プローブ流ノブ」（図示せず）によって制御される第２のコンデンサーレンズ２０７が前記電子２０２を薄く緊密な凝集ビームにする。

使用者が選択可能な対物アパーチャ２０８は、更に高角電子を前記ビームから取り除く。次に一式のコイル２０９が前記ビームを格子状に「走査」または「全体移動」し、その走査速度（通常マイクロ秒範囲）によって定められた時間だけポイント上に留まる。最終レンズである前記対物レンズ２１０は前記走査ビームを希望に応じて前記試料（または試料）２１１の一部に集束する。前記ビームが前記試料２１１に当たり（且つ数マイクロ秒留まると）前記試料内部で相互作用が起こり、様々な機器によってそれが検出される。例えば、模式図２００ｂが示すように、副次及び／または後方散乱電子２１６が検出・増幅器２１７によって検出され増幅される。前記ビームが次に留まる点に移動する前に、これら機器（例えば検出・増幅器２１７）が相互作用数を本質的に数え、ディスプレー２１８（例えば陰極線管（ＣＲＴ））にピクセルを表示し、ピクセルの強度は数えられた相互作用数によって決まる（例えば、作用が多いほどピクセルは明るい）。このプロセスは前記格子走査が終了するまで繰り返され、次にまた繰り返されることもある。例えば全体のパターンが毎秒３０回走査されることがある。従って、ディスプレー２１８上に結果的に映る結像は、前記試料２１１のトポグラフィーに対応する、強度の異なる数千ものスポット（またはピクセル）を有し得るものである。

ブロック図２００ａが更に示すように、ＳＥＭは典型的に試料チェンバー２１４を有し、結像される試料２１１が前記チェンバーに置かれる。例えば、チェンバー２１４から取り外し可能な試料ホルダーは、試料２１１を置くことができる台部２１３を有し得るものである。従って、試料２１１は試料ホルダーの台部２１３の上に置くことができ、次に前記試料ホルダーを試料チェンバー２１４に挿入することができる。試料チェンバー２１４はそのような試料ホルダーを受け入れるための定められたインターフェイス２１５を有する。前記ＳＥＭの定められたインターフェイス２１５は一般に、図１と共に説明した上述のＴＥＭ１００の試料チェンバー１１５のインターフェイスのようなＴＥＭの試料チェンバーの定められたインターフェイスとは異なる。例えば、ＳＥＭ試料チェンバーは典型的に、例えば１５ｃｍｘ１５ｃｍｘ６ｃｍなど、前記チェンバー内のスペースに比較的大きい試料を必要に応じて受け入れるためのインターフェイスを有する。通常、モーター駆動式の台部２１２が前記ＳＥＭ内に含まれており、試料チェンバー２１４内で台部２１３を動かすことが可能である。また、作り出された前記ビームの電子がその意図する軌道から空気分子によって外されることがないように、通常空気圧式エアロックバルブ２０４を使い、試料２１１が一度試料チェンバー２１４に挿入された後はＳＥＭ内は真空に保たれる。

次に図３Ａ〜３Ｂを参照すると、本発明の好ましい実施形態の構造例が示されている。すなわち図３Ａ−３Ｂは、試料ホルダー３００を含む好ましい実施形態のマニピュレーション・システムの一部を少なくとも示している。図３Ａが示す試料ホルダー３００の構造例は第１の部分３０１と第２の部分３０２とを有する。

前記第１の部分３０１は、図４Ｂでより明確に示す台部４３０のような観察用試料（または「標本」）を載せるための台部を有する。好ましくは、前記第１の部分３０１はまた、前記台部上に配置された試料を操作する働きをする制御可能なマニピュレーション機構を少なくとも１つ有する。最も好ましくは、前記第１の部分３０１は複数のマニピュレータ機構を有する。例えば、図４Ｂは４つのマニピュレータ機構を含む構造例をより明確に示している（マニピュレータ機構４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃ、４１０Ｄ）。

図３Ａ〜３Ｂの構造例において、前記第２の部分３０２は前記第１の部分３０１に取り外し可能な方法で連結される。例えば、図３Ａにおいて前記第１及び第２の部分は連結された状態で示されており、図３Ｂでは解体された状態で示されている。好ましい実施形態において、第１の部分３０１及び第２部分３０２は試料ホルダー３００と適応可能なインターフェイスを提供し、それによりそのような試料ホルダーが複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれにも連結可能となる。例えば、部分３０２は連結手段３０３を介して好ましくは取り外し可能な方法で部分３０１に固定される（本書において前記手段は、それによって試料ホルダー３００のインターフェイスを異なる様々な顕微鏡インターフェイスに適合することが可能になるため、「適合」手段と呼ばれることもある）。例えば、図３Ｂの例が示すように部分３０２を部分３０１の末端にネジ止めすることができる。当然、代替実施形態としてその他の様々なタイプの機械的連結機構を利用することができる。機械的連結（例えばネジ）に加え、連結手段３０３に電気的連結を提供してもよい。例えば、連結手段３０３は、部分３０１に含まれるマニピュレータ機構（以下に詳細に説明）の動作を制御する制御システムに部分３０１を伝達的に連結する（例えば電気的に連結する）ことができるようにするためのマルチピン電気コネクタを含むことができ、あるいはそのようなマルチピン電気コネクタにより部分３０２を電気的に連結させ、それを部分３０１に含まれるマニピュレータ機構の動作を制御する制御システムに伝達的に連結することができる。

図３Ａ〜３Ｂの例において、第１の部分３０１は第１の長さを持ち、第２の部分３０２が部分３０１に連結されると、試料ホルダー３００は第２の長さを持つ。従ってこの例において、試料ホルダー３００の長さは、試料ホルダー３００を様々な異なる顕微鏡のインターフェイスのいずれとも適合するように適応可能とするために（例えば部分３０１と３０２を連結・解体することによって）調整することができる。例えば、市販のＴＥＭの試料チェンバーはＳＥＭの試料チェンバーに使われている試料ホルダーよりも長い試料ホルダーを必要とすることがある。従って、以下に詳細に説明するように特定の実施形態において、試料ホルダー３００とＴＥＭの試料チェンバーとの連結を可能にするために部分３０１と３０２は連結することができ、且つ部分３０１を部分３０２から引き離すことができ、次にそのような部分３０１をＳＥＭの試料チェンバーと連結することができる。従って本構造例において、部分３０２から一度取り外した部分３０１は完全に機能的な独立ユニットとなる。従って本実施例において、部分３０１は第１のタイプの顕微鏡（例えば第１の長さの試料ホルダーを受け入れるインターフェイスを持つ試料チェンバーのあるＳＥＭ顕微鏡）と連結するための第１のインターフェイスを提供し、第２の部分３０２は第２のタイプの顕微鏡（例えば第２の長さの試料ホルダーを受け入れるインターフェイスを持つ試料チェンバーのあるＴＥＭ顕微鏡）と連結するための第２のインターフェイスを提供するために部分３０１に連結される。

本構造例において、第１の部分３０１の長さｌ_１は約１０ｃｍであり、部分３０２の長さｌ_２は約２４ｃｍである。従って、（部分３０１と３０２が連結したときの）試料ホルダー３００の全体長Ｌ_１は約３４ｃｍである。更に、好ましくは試料ホルダー３００の直径は、市販のＴＥＭ試料チェンバーの代表的なサイズとの連結に適していることである。以下に更に説明するように、本構造において部分３０１はＳＥＭの試料チェンバーとの連結に適した長さｌ_１を有し、部分３０１と３０２を連結するとＴＥＭの試料チェンバーとの連結に適した長さＬ_１となる。当然、代替実施形態において、例えば試料ホルダー３００を１若しくはそれ以上の目的とする顕微鏡タイプに連結可能とするために、上述の構造例とは異なる様々な長さと直径の試料ホルダー３００（及びその対応する部分３０１と３０２）となることもあり、そのような代替実施形態はすべて本発明の範囲内に含まれるものとする。

従って、好ましくは試料ホルダー３００は適応可能なインターフェイスを有する。図３Ａ〜３Ｂの構造例は試料ホルダー３００の連結と解体によって調整される調整可能なインターフェイスを提供するが、代替実施形態において調整可能なインターフェイスを提供するために、様々な他の技法を代替実施形態に採用することもできる。例えば、試料ホルダー３００は、複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれにも適応するように（適合するように）、（幅（ないし直径）及び長さなど１若しくはそれ以上のサイズにおいて）拡張及び縮小調整が可能な部分（例えば部分３０２）を有することができる。

少なくとも１つの実施形態の操作において、使用者は試料を試料ホルダー３００の台部４３０に載せた後、試料ホルダー３００を複数の異なるタイプの顕微鏡のうちの１つに連結することができる。次に試料ホルダー３００のマニピュレータ機構を用い、前記顕微鏡によってそのような試料の結像を行っている間、前記試料を操作することができる。図４Ａ〜４Ｂの例が示すように、特定の例において試料ホルダー３００は光学顕微鏡４００に連結されることがあり、マニピュレータ機構４０２のような外部マニピュレータ機構（すなわち試料ホルダー３００の外にある）を使って試料ホルダー３００のマニピュレータ機構を初期位置に配置することができる。例えば図４Ａが示すように、試料ホルダー３００を、外部マニピュレータ機構４０２を有するプラットホーム４０１に連結することができる。図４Ｂが更に詳細を示すように、外部マニピュレータ機構４０２は例えばグリッパー（把持部）のようなエンドエフェクタ４０３を有することができ、このエンドエフェクタの制御により試料ホルダー３００の内部マニピュレータ機構を連動し、配置することができる。

例えば、図４Ｂの例において試料ホルダー３００は４つのマニピュレータ機構４１０Ａ、４１０Ｂ，４１０Ｃ，４１０Ｄ（本書において総じてマニピュレータ機構４１０と呼ぶ）を有する。外部マニピュレータ機構４０２では、内部マニピュレータ機構４１０の比較的粗い調整を行うためにエンドエフェクタ４０３を使うことができる。例えば、試料を試料ホルダー３００の台部４３０上に配置することができ、使用者は光学顕微鏡４００を通して前記マニピュレータ機構４１０を見ながら、エンドエフェクタ４０３を１若しくはそれ以上の前記内部マニピュレータ機構４１０と連動させるために外部マニピュレータ機構４０２を制御し、比較的粗い調整によってそのようなマニピュレータ機構４１０を前記試料に対して位置づけることができる。マニピュレータ機構４１０はそれぞれ、プローブやグリッパーのようなエンドエフェクタを有することができ、調整機構４０２を使ってそのようなエンドエフェクタを調整し、前記試料を初期位置に配置することができる。調整機構４０２は１若しくはそれ以上の次元（好ましくは３次元）での比較的大きい移動範囲をマニピュレータ機構４１０に与えるが、そのようなマニピュレータ機構４１０の配置は、下記に記述する試料ホルダー３００の内部アクチュエータほどの精度ではないものである。例えば、調整機構４０２はマニピュレータ機構４１０を約３０ナノメートルの分解能で比較的大きい範囲（例えば数ミリメートル）を移動させることができる。従って、そのような調整機構４０２は、前記エンドエフェクタを目的とする位置の約３０ナノメートル以内で初期位置に配置するために使うことができる。

好ましい実施形態において、１若しくはそれ以上の内部マニピュレータ機構４１０は、そのような内部マニピュレータ機構４１０エンドエフェクタをより細かくまたは正確に位置づけるためのアクチュエーション機構を有する。例えば、図４Ｂ構造例において、マニピュレータ機構４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃがそれぞれ圧電チューブ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃに連結されることにより、圧電チューブ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃがそれぞれ対応するマニピュレータ機構を動かし、それらを正確に位置づけることができる。従って、図４Ｂの構造例においてマニピュレータ機構４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃは（圧電チューブ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃを用いて）制御された動作が可能であり、マニピュレータ機構４１０Ｄは静止している。当然、代替実施形態において、マニピュレータ機構４１０Ｄもアクチュエーション機構に連結し、可動となるようにしてもよい。

圧電チューブ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃは、自由空間においてナノメートル分解能を持ち数マイクロの範囲（またはそれ以上、例えばサブナノメートル分解能）でマニピュレータ機構（例えばそのエンドエフェクタ）に正確な動作を与える４電極圧電チューブを有するのが好ましい。あるいは、一次元にのみ前記マニピュレータ機構の正確な連動が必要な場合は、例えば圧電性スタック、圧電性バイモルフ、あるいは単純な圧電性プレートのようなよく知られたアクチュエータを使うこともできる。更に、１若しくはそれ以上の前記マニピュレータ機構にスティック・スリップタイプの圧電性回転アクチュエータを導入してもよく、そのような圧電性回転アクチュエータは０．０２度未満の角度ステップ分解能を持ち連続３６０度回転で動作するのが好ましい。そのような圧電チューブ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃは前記技術においてよく知られているため、本書において詳細な説明はしない。図４Ｂの構造例には圧電チューブが示されているが、代替構造において、他のあらゆる適切なアクチュエーション機構を利用することもでき、これらに限定されるものではないが、例えば熱マイクロアクチュエータ、静電マイクロアクチュエータ、スティック・スリップ圧電性マイクロアクチュエータ、圧電性バイモルフ・マイクロアクチュエータ、コムドライブ・マイクロ電子機構システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、メモリ合金マイクロアクチュエータなどがあり。当然、特定の実施形態における特定の顕微鏡タイプ（例えばＴＥＭ）と適切に連結するためのサイズ的な制約により、試料ホルダー３００内に導入するのに適したアクチュエーション機構のタイプが限定されることもある（例えば前記適切なアクチュエーション機構がマイクロスケールのアクチュエーション機構に限定されるなど）。

高精度アクチュエータを試料ホルダー３００内の前記マニピュレータ機構４１０に含め、そのような試料ホルダー３００内に長距離の粗アクチュエータを含めないことにより、複数のマニピュレータ機構４１０を前記試料ホルダー３００に含めることができるという点を理解すべきである。すなわち、マニピュレータ機構を初期位置に配置するためにその粗調整を行う、試料ホルダー３００の外部にある（または独立している）調整機構４０２を使うことにより、複数のマニピュレータ機構４１０を高精度アクチュエータと共に導入し、試料ホルダー３００内のそのようなマニピュレータ機構４１０を制御することができる。従って、それぞれ対応するマニピュレータ機構の動きを制御するために独立に動作可能な高精度アクチュエータを有する複数のマニピュレータ機構４１０は、市販のＴＥＭの試料チェンバーとの連結にも適した小さい試料ホルダーなど比較的小さい試料ホルダーの中にさえ導入可能である。

上記で簡単に説明したように、取り外し可能な方法でＴＥＭに連結可能な既存技術において、マニピュレータ機構を含む取り外し可能な試料ホルダーが開発された。そのような取り外し可能な試料ホルダーはマニピュレータ機構（例えばエンドエフェクタ）を１つだけ含むものに限られていた。更に、既存技術のそのような取り外し可能な試料ホルダーは、粗調整機構と高精度調整機構の両方を含み、それぞれが前記マニピュレータ機構のエンドエフェクタを動かすようになっていたため、そのような構造において認識されるマニピュレータ機構は１つだけであった。すなわち、市販されているＴＥＭは、前記試料ホルダーが挿入される試料チェンバーのサイズが比較的限られているため、既存技術によるそのような取り外し可能な試料ホルダーは、試料操作用のマニピュレータ機構を１つ有するのみであった。多くの場合、観察する試料に対し目的とするタイプの操作を行うために、複数のマニピュレータ機構があることが望ましい。マニピュレータ機構の粗調整のためのアクチュエータを試料ホルダー３００内に含めないことにより、市販のＴＥＭの試料チェンバーと連結するほど十分に小さい試料ホルダーのような比較的小さい試料ホルダー３００にでさえ、複数のマニピュレータ機構を導入することができる。

特定の実施形態において、試料ホルダー３００は、試料ホルダー３００を複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも適合可能にする調整可能なインターフェイスを有する。特定の実施形態において、試料ホルダー３００は、取り外し可能な方法で少なくとも１つのタイプの顕微鏡（例えばＴＥＭ及び／またはＳＥＭ）と連結可能であり、そこに統合されたそのような顕微鏡を用いて観察される試料を操作する働きをする制御可能な複数のマニピュレーション機構を有する。好ましい実施形態において、試料ホルダー３００は複数の異なる顕微鏡インターフェイス（例えばＴＥＭまたはＳＥＭインターフェイス）のいずれとも選択的に連結できる調整可能なインターフェイスと、そこに統合されたそのような顕微鏡を用いて観察される試料を操作する働きをする制御可能な複数のマニピュレーション機構とを併せ持つ。当然、特定の実施形態においては、複数のマニピュレーション機構を必ずしも有さない調整可能なインターフェイスを有する試料ホルダー３００で実施することもあり、特定の実施形態においては、試料ホルダー３００に複数のマニピュレーション機構が統合されているが必ずしも可調整顕微鏡インターフェイスを有さなくてもよい。

従って、特定の実施形態において、試料ホルダー３００は、試料ホルダー３００を複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも適合可能にする調整可能なインターフェイスを有する。図１及び２と共に上述したように、通常ＴＥＭ及びＳＥＭは試料ホルダーを受け取るためのインターフェイスを有する試料チェンバーを有し、ＴＥＭ用及びＳＥＭ用の前記試料チェンバーインターフェイスは通常異なる。図５はＴＥＭ１００と連結した本発明の好ましい実施形態を示す。図面が示すように、部分３０１は試料台４３０を有し、少なくとも１つのマニピュレーション機構４１０がＴＥＭ１００の試料チェンバー１１５に挿入されている。この例において、試料ホルダー３００には部分３０２が連結されているため、試料チェンバー１１５に適合する（例えば、ＴＥＭ１００を用いて結像される試料台４３０上の試料を提供するために適切な長さである）。従って、試料チェンバー１１５に挿入された後は、ＴＥＭ１００を用いて試料台４３０上に配置された試料を結像すること、及び／またはマニピュレーション機構４１０を制御してそのような試料を操作することができる。

図５の例が更に示すように、試料ホルダー３００を制御システム５０１に通信可能な方法で連結することができる。制御システム５０１は好ましくはパーソナルコンピュータのようにプロセッサをベースとする装置であり、マニピュレータ機構に目的とする動作を与えるためにアクチュエータ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃの動作を制御するよう前記アクチュエータに通信される制御信号を作り出すよう動作可能である。そのような制御信号は、例えば制御システム５０１に対するユーザー入力への返信として前記制御システムによって作り出すことができる（例えばマニピュレータ機構４１０の特定の動作を要求するユーザー入力インストラクション）。例えば、図５の構造例が示すように、試料ホルダー３００の部分３０２の一端を機械的且つ電気的に部分３０１に接続することができ、部分３０２の反対側の端部を通信可能な方法で（例えば電気的に）制御システム５０１に連結することができる。例えば、マルチピン電気コネクタを用いて制御システム５０１を部分３０２に電気的に連結することにより、試料ホルダー３００のマニピュレータ機構４１０の動作を制御するために前記システムに与えられた制御信号を通信することができる。

図６はＳＥＭに連結された好ましい実施形態を示す。図面が示すように、試料台４３０及び少なくとも１つのマニピュレーション機構４１０を有する部分３０１は前記ＳＥＭの試料チェンバー２１４に挿入されている。この例において、試料ホルダー３００は前記ホルダーから取り外された部分３０２を有しているため、試料チェンバー２１４に適合する（例えば、試料台４３０に配置された試料を結像するためにそのような試料チェンバーに適切な方法で試料ホルダー３００を提供するために適切な長さである）。従って、試料チェンバー２１４に挿入された後は、前記ＳＥＭを用いて試料台４３０上に配置された試料を結像すること、及び／またはマニピュレーション機構４１０を制御してそのような試料を操作することができる。

図６の例が更に示すように、試料ホルダー３００をプラットフォーム４０１に連結することができ、そのようなプラットフォーム４０１に連結された試料ホルダー３００を有する前記プラットフォームをＳＥＭの試料チェンバーに提供することができる。すなわち、プラットフォーム４０１は試料ホルダー３００をＳＥＭの前記試料チェンバー２１４に適正に連結するのを補助することができる。試料ホルダー３００を図４Ａが示すようなプラットフォーム４０１と連結することも可能であり、外部調整機構４０２をそのようなプラットフォーム４０１に連結し、前記試料ホルダーのマニピュレータ機構４１０を初期位置に調整するために使用することができることを認識すべきである。特定の実施形態において、そのような外部調整機構４０２は取り外し可能な方法でプラットフォーム４０１に連結されるため前記プラットフォーム４０１から取り外すことができ、そのようなプラットフォーム４０１はＳＥＭの試料チェンバーに挿入可能である。そのようなプラットフォーム４０１のサイズは伝統的なＳＥＭ試料ホルダーのサイズと類似のサイズとすることができ、従ってそのようなＳＥＭを用いて試料台４３０上の試料を結像するために、試料ホルダー３００を正しくＳＥＭの試料チェンバー２１４内部に整合するのを補助することができる。当然、特定の実施形態において、試料を結像及び／または操作するためにそのようなプラットフォーム４０１をＳＥＭの試料チェンバー内に留め、前記プラットフォームのインターフェイス６０１を介して試料ホルダー３００を前記に連結することもでき、（試料を前記ＳＥＭに提供及び取り外しする度に、前記ＳＥＭの試料チェンバー２１４から前記プラットフォーム４０１を挿入及び取り外しするのではなく）前記ＳＥＭの試料チェンバー２１４から試料ホルダー３００を取り外すために、試料ホルダー３００をそのようなプラットフォームのインターフェイス６０１から取り外すこともできる。また、特定の実施形態において、そのようなプラットフォーム４０１を使わずに、試料ホルダー３００をＳＥＭの試料チェンバー２１４に直接に提供することもでき、そのような実施形態は全て本発明の範囲に含まれるものと意図する。

図６の例が更に示すように、試料ホルダー３００を制御システム５０１に通信可能な方法で連結することができる。そのような制御システム５０１については簡単に上記に述べた。例えば、図６の構造例が示すように、試料ホルダー３００の部分３０１の一端を機械的（例えば電気的）に制御システム５０１に接続することができる。従って、部分３０２を部分３０１から引き離すと、制御システム５０１と通信可能な方法で連結するために適切なインターフェイスを部分３０１自体が有することができる。例えば、マルチピン電気コネクタを用いて制御システム５０１を部分３０１に電気的に連結することにより、試料ホルダー３００のマニピュレータ機構４１０の動作を制御するために前記システムに与えられた制御信号を通信することができる。

従って、本発明の特定の実施形態において、少なくとも１つのマニピュレーション機構及び調整可能なインターフェイスを有する試料ホルダー３００が提供されることにより、複数の異なるタイプの顕微鏡のいずれにもそのような試料ホルダー３００を選択的に連結することが可能となる。すなわち、特定の実施形態において、試料ホルダー３００は試料を操作するためのマニピュレーション機構を少なくとも１つと、複数の異なるタイプの顕微鏡インターフェイスに適合するよう適応可能なインターフェイスとを有する。より具体的には、少なくとも１つの実施形態において、試料ホルダー３００はＴＥＭまたはＳＥＭのいずれかに選択的に連結することができる。

試料ホルダー３００は、そのような顕微鏡の正常な操作（例えば結像機能）に支障をきたさないやり方で、取り外し可能な方法で顕微鏡に連結可能であるのが好ましい。むしろ、そのような試料を操作するために前記マニピュレーション機構４１０を使わずに、試料ホルダー３００を試料の結像という目的のみに使うことも希望に応じて可能である。あるいは、試料の結像のみを希望する場合は、従来の試料ホルダーを相互的に代用することもできる。すなわち、試料ホルダー３００は顕微鏡との統合の必要、または顕微鏡の正常な機能性に支障をきたす他の変更を顕微鏡に加える必要がないのが好ましいため、前記顕微鏡の従来の試料ホルダーの代わりに相互的に用いることができるような実施形態にするのが好ましい。従って特定の実施形態は、統合されたマニピュレーション機構４１０を有するポータブル試料ホルダー３００を提供し、前記機構においてそのような試料ホルダー３００は取り外し可能な方法で顕微鏡に連結され、希望に応じて（更に以下に説明するような）操作能力を提供する。

従って、図７は本発明の少なくとも１つの実施形態の例示的ブロック図を示し、前記において試料ホルダー３００はマニピュレータ機構４１０と、顕微鏡と連結するためのインターフェイス３００Ａとを有する。好ましくは、簡単に上述したような制御システム５０１は通信可能な方法でマニピュレータ機構４１０に連結される。例えば、正確にマニピュレータ機構（または「エンドエフェクタ」）４１０を配置するために、アクチュエーション機構４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃの操作を制御するための制御システム５０１を用いることができる。すなわち、観察する試料を操作するために、前記マニピュレータ機構４１０を制御するそのような制御システム５０１を用いることができる。例えば、図７の顕微鏡７０１または顕微鏡７０２のような顕微鏡に試料ホルダー３００を連結することができ、制御システム５０１を利用して、そのような顕微鏡によって結像される試料を操作するためにマニピュレータ機構（または「エンドエフェクタ」）の１若しくはそれ以上を正確に動かすアクチュエータ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃを制御することができる。

上述のように、試料ホルダー３００のインターフェイス３００Ａは、試料ホルダー３００を複数の異なる顕微鏡インターフェイスと適合するように適応可能であるのが好ましい。例えば、インターフェイス３００Ａは、第１のタイプの顕微鏡７０１のインターフェイス７０１Ａと適合するように適応することができ、それにより試料ホルダー３００をそのような顕微鏡７０１に連結することができることにより、そのような試料ホルダー３００に配置された試料の結像及び／または操作が可能となる。更に、インターフェイス３００Ａは、異なるインターフェイスである第２のタイプの顕微鏡７０２のインターフェイス７０２Ａと適合するように適応することができ、それにより試料ホルダー３００をそのような顕微鏡７０２に連結することができることにより、そのような試料ホルダー３００に配置された試料の結像及び／または操作が可能となる。図５及び６と共に上述したように、特定の実施形態において例えば顕微鏡７０１はＴＥＭを有することができ、顕微鏡７０２はＳＥＭを有することができ、適応可能なインターフェイス３００Ａは試料ホルダー３００をそのような顕微鏡７０１及び７０２のいずれかに選択的に連結することを可能にすることができる。

次に図８を見ると、本発明の特定の実施形態をどのように利用することができるかを例証する工程系統図が示されている。より具体的には、図８は本発明の特定の実施形態に従って試料を観察するために顕微鏡を用いる例示的工程系統図を示す。図が示すように、工程ブロック８０１において使用者は目的とするタイプの顕微鏡を選択する。すなわち、工程ブロック８０１は、使用者が複数の異なるタイプの顕微鏡のタイプから目的とするタイプを選択する工程を有する。そのような複数の異なるタイプの各顕微鏡は、試料ホルダーを受け取るための異なるインターフェイスを有することもある。工程ブロック８０２において、使用者は試料ホルダーのインターフェイスを調整して前記顕微鏡のインターフェイスに適合させる。すなわち、工程ブロック８０２は、使用者が試料ホルダーのインターフェイスを調整して前記顕微鏡のインターフェイスに適合させる工程を有する。上述のように、前記試料ホルダーのインターフェイスは、試料ホルダーを受け取るための、複数の異なるタイプの顕微鏡インターフェイスのいずれにも適合するように調整可能であるのが好ましい。

工程ブロック８０３において、使用者は前記試料ホルダー上に試料を配置する。その後、工程ブロック８０４において、前記試料ホルダーを目的とする顕微鏡タイプと連結することにより、そのような目的とするタイプの顕微鏡による前記試料の結像が可能となる。従って、工程ブロック８０５において、前記の目的とするタイプの顕微鏡を用い、前記試料ホルダーに配置された試料を結像することができる。更に工程ブロック８０６において、前記試料ホルダー内に統合された操作機構（例えば試料ホルダー３００の操作機構４１０）を用い、前記試料を操作することができる。

本発明の特定の実施形態において、試料ホルダー３００は取り外し可能な方法で顕微鏡に連結され得るものであり、複数のマニピュレータ機構を有する。次に図９を見ると、本発明の特定の実施形態をどのように利用することができるかを例証する工程系統図が示されている。工程ブロック９０１において、試料ホルダー３００の試料台４３０上に試料が置かれており、前記ホルダーは複数のマニピュレータ機構４１０を有する。工程ブロック９０２において、調整機構（例えば図４Ａの調整機構４０２）を用い、前記機構の各エンドエフェクタを初期位置に配置するために、前記マニピュレータ機構４１０の粗調整を行う。工程ブロック９０３において、試料ホルダー３００が顕微鏡に連結され、それにより、試料台４３０上に置かれた試料を前記顕微鏡により結像することが可能となる。特定の実施形態において、試料ホルダー３００のインターフェイスは、複数の異なる顕微鏡インターフェイス（例えばＴＥＭの試料チェンバー及びＳＥＭの試料チェンバー）のいずれとも適合するように調整可能とすることができ、別の実施形態において、試料ホルダー３００のインターフェイスはそれほど調整可能ではない場合がある（例えば固定されている場合がある）。その後、工程ブロック９０４において、試料ホルダー３００の内部アクチュエータ（例えばアクチュエータ４２０Ａ、４２０Ｂ、４２０Ｃ）を利用し（例えば制御システム５０１を介して）、前記少なくとも１つのマニピュレータ機構のエンドエフェクタを目的とする位置へ正確に動かす。

上述のように、本発明の特定の実施形態において、試料ホルダー３００は、試料ホルダー３００を複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも連結可能にする適応可能なインターフェイスを有する。しかし、他の特定の実施形態においては、試料ホルダー３００がそのような適応可能なインターフェイスを有さないこともある。本発明の特定の実施形態において、試料ホルダー３００は取り外し可能な方法で顕微鏡に連結され得るものであり、複数のマニピュレータ機構を有する。好ましくは、各マニピュレータ機構に対応するそのような試料ホルダー３００内に含まれるアクチュエータによって、そのような各マニピュレータ機構を独立に動かすことができる。好ましい実施形態において、図３Ａ、３Ｂ及び４Ａ、４Ｂと共に上述した試料ホルダー３００の構造例においてと同様に、そのような試料ホルダー３００は複数の異なる顕微鏡インターフェイス（例えばＴＥＭまたはＳＥＭインターフェイス）のいずれとも選択的に連結可能となるように調整可能なインターフェイスと、そこに統合されたそのような顕微鏡を用いて観察される試料を操作する働きをする制御可能な複数の操作機構とを併せ持つ。

マニピュレーション機構４１０は試料ホルダー３００の構造例におけるプローブとして本明細書において示されているが（例えば図４Ｂ）、プローブに代わりあるいはプローブに加え、他の様々なタイプのマニピュレーション機構を実施することが可能であることを理解すべきである。例えば、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、ホース、ナノメートル・スケール・フックなどのマニピュレーション機構（または「エンドエフェクタ」）を、試料ホルダー３００の１若しくはそれ以上のマニピュレーション機構４１０の代わりに導入することにより、観察中の試料に対し様々な異なるタイプの操作を行うことができる。更に特定の実施形態において、そのようなマニピュレーション機構４１０は互いに交換可能である。例えば、使用者が観察中の試料を希望に応じて操作するために、目的とするタイプのマニピュレーション機構を用いて試料ホルダー３００を選択的に設定することができるように、試料ホルダー３００内でプローブをグリッパー（あるいは他のタイプのマニピュレーション機構）と取り替えることができる。例えば、万能アダプターを圧電チューブ４２０Ａ〜４２０Ｃそれぞれに連結することができ、そのような万能アダプターとのインターフェイスに適合するマニピュレーション機構であれば、どれも試料ホルダー３００内で交換して用いることができる。

上述のように、試料ホルダー３００は好ましくは、内部に導入された複数のマニピュレーション機構を有する。最も好ましくは、そのような試料ホルダー３００内に少なくとも４つのマニピュレーション機構が導入されるものである。複数のマニピュレーション機構があれば、観察中の試料に対する様々なタイプの測定が可能となる。本発明の特定の実施形態は、顕微鏡のマニピュレーション・システムに導入されるマニピュレーション機構の数が不十分であるために従来不可能であった測定を可能にする。

例えば、エッチングされた伝導性Ｗ（タングステン）、Ｐｔ（プラチナ）、Ａｕ（金）プローブのような伝導性且つ先端の尖ったプローブをエンドエフェクタとして導入し、試料を試料台４３０の表面に置くか、または前記試料表面に２つのプローブを配置することによって自由空間に浮かせる（すなわち２つのプローブを用いて前記試料を自由空間に停止させ、その他のプローブを１若しくはそれ以上用いて試料の測定をすることによって）、前記試料のナノメートル・スケール部位の伝導性測定を行うことができる。試料ホルダー３００内に含まれる４つのマニピュレータ・モジュールを用い、観察中の試料に対するナノメートル・スケールでの４つのプローブによるケルビン伝導性測定を行うことができる。４つのプローブによる伝導性測定の１つの利点は、前記プローブと前記試料の間に作られるインターフェイスに本来ある接触抵抗の影響がなくなり、２つまたは３つのプローブによる伝導性測定では得られない前記試料の正確な伝導性が得られることである。その他のタイプのエンドエフェクタを用いることにより、フォース・プローブ、フォース測定、またはフォースと電気を組み合わせた測定をナノメートル・スケールで実現することも可能である。前記技術の当業者であれば、本発明の実施形態により試料に対するその他の様々なタイプの測定及び／または特性検査が可能となることを評価するであろう。

更に、本発明の特定の実施形態のマニピュレーション・システムを、マイクロ及び／またはナノスケールの物体の組立作業を行うために利用することもできる。例えば、複数の試料を台４３０に配置することができ、特定の用途においてマニピュレーション機構４１０を用いてそのような試料を目的とする構造に組み立てることができる。更に、当業者であれば、そのようなマニピュレーション・システムのその他の様々な用途を認識するであろう。

本発明及びその利点について詳細に説明してきたが、本発明に添付する請求項によって定められる本発明の意図と範囲から逸脱することなく、本発明に様々な変更、代替、修正を加えることができることを理解すべきである。更に、本発明の範囲は、本明細書に記述される工程、機械、製造、組成、手段、方法、及び手順の具体的な実施形態に限定されるものではない。当業者であれば、本明細書に記述された付随の実施形態と実質的に同じ機能を果たすまたは実質的に同じ結果をもたらす、既存または今後開発される工程、機械、製造、組成、手段、方法、または手順を本発明に従って利用することが可能であることを、本発明の開示により容易に理解するであろう。従って、添付の請求項はその範囲にそのような工程、機械、製造、組成、手段、方法、または手順を含むことを意図する。

本発明のより正しい理解のために、説明とそれに伴う図面を以下に参考として記述する。
図１は、ＴＥＭの典型的な構造を示す。 図２は、ＳＥＭの典型的な構造を示す。 図３Ａ及び３Ｂは、本発明の好ましい実施形態に従ったマニピュレーション・システムの構造の一例を示す。 図３Ａ及び３Ｂは、本発明の好ましい実施形態に従ったマニピュレーション・システムの構造の一例を示す。 図４Ａ及び４Ｂは、試料に対するマニピュレーション機構の比較的な粗調整を可能にするように光学顕微鏡に連結されたマニピュレーション・システムの好ましい実施形態を示す。 図４Ａ及び４Ｂは、試料に対するマニピュレーション機構の比較的な粗調整を可能にするように光学顕微鏡に連結されたマニピュレーション・システムの好ましい実施形態を示す。 図５は、ＴＥＭに連結された、本発明の好ましい実施形態のマニピュレーション・システムを示す。 図６は、ＳＥＭに連結された、本発明の好ましい実施形態のマニピュレーション・システムを示す。 図７は、本発明の好ましい実施形態のブロック図を示す。 図８は、本発明の特定の実施形態がどのように利用されるかを説明する工程系統図を示す。 図９は、本発明の特定の実施形態をどのように利用されるかを例証する工程系統図を示す。

Claims (64)

1. マニピュレーション・システムであって、
   複数の異なる顕微鏡インターフェイスと適合するように調整可能なインターフェイスを有する試料ホルダーと、
   試料を操作する働きをする少なくとも１つのマニピュレーション機構と
   を有するマニピュレーション・システム。
2. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記少なくとも１つのマニピュレーション機構は、エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに動作を与える働きをする制御可能なアクチュエータとを有するものである。
3. 請求項２のマニピュレーション・システムにおいて、前記エンドエフェクタは、プローブ、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、フック、ホースから成る一群から選択される少なくとも１つを有するものである。
4. 請求項２のマニピュレーション・システムにおいて、前記アクチュエータは圧電チューブを有するものである。
5. 請求項２のマニピュレーション・システムにおいて、前記アクチュエータは、少なくともナノメートル・スケールの精度による前記動作を与える働きをするように制御可能である。
6. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記少なくとも１つのマニピュレーション機構は複数のマニピュレーション機構を有するものである。
   
7. 請求項６のマニピュレーション・システムにおいて、前記複数のマニピュレーション機構はそれぞれ、エンドエフェクタと、そのマニピュレーション機構の各エンドエフェクタに動作を与える働きをする制御可能なアクチュエータとを有するものである。
8. 請求項７のマニピュレーション・システムにおいて、前記複数のマニピュレーション機構のそれぞれの前記アクチュエータは、圧電チューブを有するものである。
9. 請求項７のマニピュレーション・システムにおいて、前記アクチュエータは、少なくともナノメートル・スケールの精度による前記動作を与える働きをするように制御可能である。
10. 請求項７のマニピュレーション・システムにおいて、前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスは、透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイスを有するものである。
11. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスは、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）インターフェイスと透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイスとを有するものである。
12. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記試料ホルダーは前記試料を受け取るための試料台を有し、且つ前記インターフェイスは、前記試料ホルダーを連結した顕微鏡を用いて前記試料を結像することを可能にする方法により、前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも連結するように調整可能である。
13. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記インターフェイスは、前記試料ホルダーを連結した顕微鏡のその他の操作可能な構成部品に支障をきたさない方法により、前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも連結するように調整可能である。
14. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記試料ホルダーは前記マニピュレーション機構を少なくとも１つ有し、且つ前記インターフェイスが前記マニピュレーション・システムを前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスのいずれとも取り外し可能な方法で連結することを可能とする。
15. 請求項１４のマニピュレーション・システムにおいて、前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスは複数の異なる顕微鏡試料チェンバーを有するものである。
16. 請求項１のマニピュレーション・システムにおいて、前記複数の異なる顕微鏡インターフェイスは結像される試料を受け取るためのインターフェイスを有するものである。
17. 試料を観察する顕微鏡を用いる方法であって、
    複数の異なるタイプの顕微鏡から目的とするタイプを選択する工程であって、この複数の異なるタイプの顕微鏡が試料ホルダーを受け取るための異なるタイプのインターフェイスを有する、前記選択する工程と、
    目的とするタイプの顕微鏡のインターフェイスに適合するために試料ホルダーのインターフェイスを調整する工程であって、前記試料ホルダーのインターフェイスが試料ホルダーと連結する異なる顕微鏡インターフェイスのいずれのタイプにも適合するように調整可能である、前記調整する工程と、
    試料を前記試料ホルダーに配置する工程と、
    前記試料ホルダーを前記目的とするタイプの顕微鏡に連結する工程であって、これにより前記目的とするタイプの顕微鏡によって前記試料を結像することができるようにする、前記連結する工程と
    を有する方法。
18. 請求項１７の方法において、前記試料ホルダーは少なくとも１つのマニピュレーション機構を有するものである。
19. 請求項１８の方法において、前記少なくとも１つのマニピュレーション機構はエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに動作を与えるアクチュエータとを有するものである。
20. 請求項１８の方法であって、さらに、
    前記少なくとも１つのマニピュレーション機構を用いて前記試料を操作する工程を有するものである。
21. 請求項１８の方法において、前記試料ホルダーは複数のマニピュレーション機構を有するものである。
22. 請求項２１の方法において、前記複数のマニピュレーション機構の複数のそれのそれぞれ、エンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに動作を与えるアクチュエータとを有するものである。
23. 請求項２１の方法であって、さらに、
    前記少なくとも１つのマニピュレーション機構を用いて前記試料を操作する工程を有するものである。
24. 請求項１７の方法であって、さらに、
    前記目的とするタイプの顕微鏡を用いて前記試料を結像する工程を有するものである。
25. 請求項１７の方法において、前記複数の異なる顕微鏡は少なくとも１つの透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）と走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）とを有するものである。
26. 顕微鏡に試料を提供するために試料を保持するためのポータブル試料ホルダーであって、
    試料を載せるための試料台と、
    前記載せた試料を操作するための複数のマニピュレーション機構であって、複数のそれのそれぞれがエンドエフェクタと、前記エンドエフェクタに動作を与えるアクチュエータとを有する、前記複数のマニピュレーション機構と、
    取り外し可能な方法で顕微鏡に連結するインターフェイスと
    を有するポータブル試料ホルダー。
27. 請求項２６のマニピュレーション・システムにおいて、前記エンドエフェクタは、プローブ、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、フック、及びホースから成る一群から選択される少なくとも１つを有するものである。
28. 請求項２６のマニピュレーション・システムにおいて、前記アクチュエータは圧電チューブを有するものである。
29. 請求項２６のポータブル試料ホルダーであって、
    前記マニピュレーション機構の少なくとも４つを有するものである。
30. 請求項２６のポータブル試料ホルダーにおいて、前記インターフェイスは複数の異なるタイプの顕微鏡インターフェイスに適合するように適応可能である。
31. 請求項３０のポータブル試料ホルダーにおいて、前記インターフェイスは少なくとも透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイスと走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）インターフェイスとに適合するように適応可能である。
32. 請求項３０のポータブル試料ホルダーであって、
    互いを引き離すことができる方法で連結された少なくとも２つの部分を有し、前記少なくとも２つの部分が互いに連結すると前記ポータブル試料ホルダーが第１のタイプの顕微鏡インターフェイスに適合し、前記少なくとも２つの部分が引き離されると前記ポータブル試料ホルダーの前記少なくとも２つの部分の１つが第２のタイプの顕微鏡インターフェイスに適合するものである。
33. 請求項３２のポータブル試料ホルダーにおいて、前記第１のタイプの顕微鏡インターフェイスは透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイスを有し、前記第２のタイプの顕微鏡インターフェイスは走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）インターフェイスを有するものである。
34. システムであって、
    試料を載せるための試料台を含む試料ホルダーと、
    前記試料台に載せた試料を前記顕微鏡によって結像することができるように前記試料ホルダーを顕微鏡に連結するためのインターフェイスと、
    前記試料台に載せた試料を操作する働きをする制御可能な複数のマニピュレータ機構であって、エンドエフェクタと、各エンドエフェクタに正確な動作を与える働きをするアクチュエータとを有する前記複数のマニピュレータ機構と
    を有するシステム。
    前記複数のマニピュレータ機構は、ものである。
35. 請求項３４のシステムにおいて、前記試料台に載った試料を前記試料ホルダーが連結された顕微鏡によって結像している間、前記複数のマニピュレータ機構は前記試料台に載った試料を操作する働きをするように制御可能である。
36. 請求項３４のシステムにおいて、前記エンドエフェクタは、プローブ、グリッパー、ガラス繊維、皮下注射針、フック、ホースから成る一群から選択される少なくとも１つのものを有するものである。
37. 請求項３４のシステムにおいて、正確な動作を与える働きをする前記アクチュエータは圧電チューブを有するものである、。
38. 請求項３４のシステムにおいて、正確な動作を与える働きをする前記アクチュエータは少なくともナノメートル・スケール精度で前記動作を与える働きをするものである。
39. 請求項３４のシステムにおいて、前記アクチュエータは３次元において前記正確な動作を与える働きをするものである。
40. 請求項３４のシステムにおいて、前記顕微鏡は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を有するものである。
41. 請求項３４のシステムにおいて、顕微鏡に前記試料ホルダーを連結するための前記インターフェイスは、複数の異なる顕微鏡インターフェイスに適合するように調整可能な調整可能なインターフェイスを有するものである。
42. 請求項４１のシステムにおいて、前記インターフェイスは、少なくとも透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイスと走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）インターフェイスとに適合するように調整可能である。
43. 請求項３４のシステムであって、さらに、
    前記試料ホルダーの外側に調整機構を有し、前記機構が前記複数のマニピュレータ機構の１若しくはそれ以上と連動し、且つ前記複数のマニピュレータ機構の前記１若しくはそれ以上を粗調整する働きをするように制御可能である、調整機構を有するものである。
44. 請求項４３のシステムにおいて、前記調整機構は、前記１若しくはそれ以上のマニピュレータ機構が光学顕微鏡によって結像されている間、前記１若しくはそれ以上のマニピュレータ機構の前記粗調整を行う働きをするものである。
45. 請求項４３のシステムにおいて、前記試料ホルダーは前記調整機構を有するプラットフォームと連結するためのインターフェイスを有するものである。
46. 請求項４５のシステムにおいて、前記プラットフォームは、前記試料ホルダーが前記プラットフォームと連結したときに前記１若しくはそれ以上のマニピュレータ機構が光学顕微鏡によって結像することができるように、前記光学顕微鏡に対して配置されるものである。
47. 請求項４３のシステムにおいて、前記調整機構は約３０ナノメートルの精度で前記複数のマニピュレータ機構の１若しくはそれ以上を粗調整する働きをするものである。
48. 請求項４３のシステムにおいて、前記調整機構は少なくとも２ミリメートル範囲の動作を提供する働きをするものである。
49. システムであって、
    試料を載せるための試料台を含む試料ホルダーと、
    前記試料台に載せた試料を前記顕微鏡によって結像することができるように前記試料ホルダーを顕微鏡に連結するためのインターフェイスと、
    前記試料台に載せた試料を操作するための複数のマニピュレータ手段であって、エンドエフェクタを有し、初期的な位置から目的とする位置へ各エンドエフェクタを正確に動かす動作を与えるアクチュエータ手段を有する、前記複数のマニピュレータ手段と、
    前記試料ホルダーから独立した調整手段であって、前記少なくとも１つのマニピュレータ機構のエンドエフェクタを前記初期位置に配置するために前記複数のマニピュレータ機構の少なくとも１つを粗調整する、前記調整手段と
    を有するシステム。
50. 請求項４９のシステムにおいて、前記試料台に載った試料が前記試料ホルダーを連結した顕微鏡によって結像している間、前記複数のマニピュレータ手段は前記試料台に載った試料を操作する働きをするように制御可能である。
51. 請求項４９のシステムにおいて、前記アクチュエータ手段は圧電チューブを有するものである。
52. 請求項４９のシステムにおいて、正確な動作を与える働きをする前記アクチュエータ手段は少なくともナノメートル・スケール精度で前記動作を与える働きをする。
53. 請求項４９のシステムにおいて、前記アクチュエータ手段は３次元において正確な動作を与える働きをする。
54. 請求項４９のシステムにおいて、前記顕微鏡は透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）を有するものである。
55. 請求項４９のシステムにおいて、顕微鏡に前記試料ホルダーを連結するための前記インターフェイスは、複数の異なる顕微鏡インターフェイスに適合するように調整可能な調整可能なインターフェイスを有するものである。
56. 請求項５５のシステムにおいて、前記インターフェイスは少なくとも透過電子顕微鏡（ＴＥＭ）インターフェイスと走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）インターフェイスとに適合するように調整可能である。
57. 顕微鏡で観察中の試料を操作するための方法であって、
    複数のマニピュレータ機構をさらに有する試料ホルダーの試料台に試料を配置する工程であって、前記マニピュレータ機構はそれぞれエンドエフェクタを有し、前記複数のマニピュレータ機構の複数のそれのそれぞれは対応するエンドエフェクタに正確な動作を与える働きをするアクチュエータを有する、工程と、
    前記試料ホルダーから独立した調整手段を用いる工程であって、前記少なくとも１つのマニピュレータ機構のエンドエフェクタを初期位置に配置するために前記複数のマニピュレータ機構の少なくとも１つの粗調整を実行する、工程と、
    前記試料が前記顕微鏡によって結像することができるように前記試料ホルダーを顕微鏡に連結する工程と、
    マニピュレータ機構の前記複数のものから少なくとも第１の前記アクチュエータを用いる工程であって、この少なくとも第１のマニピュレータ機構のエンドエフェクタの正確な動作を目的とする位置で実行する、工程と
    を有する方法。
58. 請求項５７の方法であって、さらに、
    前記試料ホルダーを、前記調整機構を有するプラットフォームに連結する工程を有するものである。
59. 請求項５７の方法において、前記調整機構は、前記調整機構を用いて前記粗調整を行うときに、前記少なくとも１つのマニピュレータ機構のエンドエフェクタが前記光学顕微鏡によって結像することができるように、光学顕微鏡に対して配置される。
60. 請求項５７の方法であり、さらに、
    前記少なくとも１つのマニピュレータ機構のエンドエフェクタが顕微鏡で結像している間、前記調整機構を用いる工程を有するものである。
61. 請求項５７の方法において、前記アクチュエータは圧電チューブを有するものである。
62. 請求項５７の方法であり、さらに、
    前記顕微鏡のインターフェイスに適合するために前記試料ホルダーのインターフェイスを適応する工程を有するものである。
63. 請求項５７の方法において、前記正確な動作は少なくともナノメートル・スケールの精度を有する動作である。
64. 請求項５７の方法において、前記目的とする位置は前記試料を操作するための位置である。

Images