LabVIEW​により​開発​期間​を​短縮​-​卓上​小型​電子​顕微鏡​「Desk Top ONE」​の​開発-

- 谷 重喜 氏, 浜松​医科​大学​附属​病院 医療​情報部

"LabVIEW​の​よう​な​短期​に​開発​検証、​そして​実機​へ​の​導入​を​視野​に​入れ​た​ソフト​開発​ツール​の​存在​の​重要性​を​あらためて​実感​した。"

- 谷 重喜 氏, 浜松​医科​大学​附属​病院 医療​情報部

課題:

1. 筐​体​や​システム​の​小型化 ​ ​一般​的​な​電子​顕微鏡​は、​空調​と​真空​ポンプ​など​の​空冷​や​水冷​用​冷却​配管​と​電源​設備​を​設け​た​専用​の​部屋​が​必要​で​ある。​この​よう​な​大型​機器​として​の​イメージ​を​排除​した​卓上​型​の​小型​電子​顕微鏡​を​作成​する。 ​2. 管理​や​操作性​の​簡便​化 ​ ​維持​管理​を​簡便​な​もの​と​する​ため、​メインテナンス​機能​を​簡略​化​する​とともに、​利用​時​の​煩雑​な​操作​を​低減​し​自動化​機能​を​向上​さ​せ​た​もの​に​した​い。 ​3. 拡張​性​を​持​た​せ​た​汎用​化 ​ ​電子​顕微鏡​に​利用​用途​に​適​した​機能​の​追加​として、​制御​系、​観測​系、​そして​画像​処理​機能​を​加​えたい。

ソリューション:

NI​の​LabVIEW​や、​マルチ​ファンクション​DAQ​等​を​利用​し、​小型​の​走査​型​電子​顕微鏡​の​製作​と​制御​システム​の​試作​を​実現。

背景

光学​顕微鏡​では、​観察​が​困難​な​対象​物​の​微細​構造​の​観察​に​は、​高​倍率​の​電子​顕微鏡​が​利用​さ​れ​て​いる。​また、​電子​顕微鏡​を​利用​する​分野​は、​多く​の​領域​に​広​が​って​いる。​例示​すると、​医学​分野​では​人​の​細胞​や​細菌・​ウイルス​の​構造​観察、​半導体​分野​では​LSI​の​回路​表面​の​観察、​建築​工学​では​建築​構造​物​の​疲労​や​磨耗​状態​の​観察、​精密​工学​では​マイクロ​マシン​の​開発、​生活​関連​分野​では​食品​や​香​粧​品​の​開発​など​に​も​利用​さ​れ​て​いる。​電子​顕微鏡​は、​機器​装置​の​大​き​さ、​運用​管理、​操作​方法​の​習得​が​必要​な​場合​が​ある。​そのため、​主として​大学​や​企業​研究所​における​共同​利用​の​大型​機器​として​の​位置づけ​に​ある。​しかし、​利用​形態​から​みる​と​個人​利用​という​側面​が​ある​ため、​小型​で​簡便​な​操作性​を​備え​た​電子​顕微鏡​に対する​必要性​が​増し​てい​た。​そこで、​超​小型​の​電子​顕微鏡​開発​の​前​段階​として、​機能​評価​を​目的​と​した​小型​の​電子​顕微鏡​開発​を​始め​た。​しかし、​精細​な​計測​や​制御​の​両​特性​を​必要​と​する​電子​顕微鏡​の​各​ユニット​における​装置​の​設計​や​製作​において​予定​期日​の​大幅​な​遅延​や、​ソフトウエア​開発​に​困難​を​抱え​てい​た。​時期​を​同じく​し​て、​NI(National Instruments)​の​セミナー​に​参加​する​機会​が​あり、​LabVIEW​に​触れる​こと​によって、​開発の助けとなる可能性を知った。​この​よう​な​背景​で、​小型​の​走査​型​電子​顕微鏡​の​製作​と​制御​システム​の​試作​に​LabVIEW​を​利用​した​ので​紹介​する。

 

 

課題

)​筐​体​や​システム​の​小型化
​一般​的​な​電子​顕微鏡​は、​空調​と​真空​ポンプ​など​の​空冷​や​水冷​用​冷却​配管​と​電源​設備​を​設け​た​専用​の​部屋​が​必要​で​ある​(図​1)。

 

この​よう​な​大型​機器​として​の​イメージ​を​排除​した​卓上​型​の​小型​電子​顕微鏡​を​作成​する。​この​ため​に​は、​顕微鏡本体の構造設計と制御システムの設計が新たに必要となった。

)​管理​や​操作性​の​簡便化
​維持​管理​を​簡便​な​もの​と​する​ため、​メインテナンス​機能​を​簡略​化​する​とともに、​利用​時​の​煩雑​な​操作​を​低減​し​自動化​機能​を​向上​さ​せ​た​もの​に​した​い。​この​自動化​に​は、​電子​顕微鏡​の​各​ユニット​の​調整​を​外部​制御​可能​な​計測​システム​と​制御​システム​として​作成​しな​け​れ​ば​なら​ない。

)​拡張​性​を​持​た​せ​た​汎用化
​電子​顕微鏡​に​利用​用途​に​適​した​機能​の​追加​として、​制御​系、​観測​系、​そして​画像​処理​機能​を​加​えたい。

 

ソリューション

)​筐​体​や​システム​の​小型化
​電子​顕微鏡​の​本体​は、​新​しく​設計​開発​を​行い、​真空​系​の​ポンプ​は​小型​の​排気​ポンプ​(ダイ​アフラ​ム​ポンプ)​と​高​真空​ポンプ​(ターボ​分子​ポンプ)​を​利用​する。​また、​これら​に​真空​ポンプ​に​欠​か​せ​ない​空気​の​排気​調整​時​の​ポンプ​作動​操作​と​バルブ​操作​も​コンピュータ​化​し、​小型化​する。

)​管理​や​操作性​の​簡便化
​維持​管理費​を​低減​する​ため​専用​の​空調​や​水冷​系​を​必要​と​しない​設計​と​する。​真空​維持​制御​など​の​電子​顕微鏡​に​欠​か​せ​ない​一連​の​操作​は​誤操作​防止​の​観点​から​も​自動化​制御​と​する。

)​拡張​性​を​持​た​せ​た​汎用化
​電子​顕微鏡​の​利用​が​試料​観測​の​目的​だけ​で​なく、​各種​の​電子​観測​や​分析、​マイクロ​マシン​開発​など、​利用​領域​の​変化​に​対応​した​拡張​性​を​持​たせる。​また、​電子​顕微鏡​から​得​ら​れ​た​観測​映像​は、​画像​処理​コンピュータ​へ​取り込み、​ファイリング​や​画像​演算​処理​を​行​って​い​た​が、​この​過程​を​電子​顕微鏡​に​画像​処理​機能​を​装備​し​処理​を​行う。

 

装置​の​概要

走査​型​電子​顕微鏡​は、​電子銃から放射された電子ビームを分解能レベルにまで集束させ、​観察​対象​と​なる​試料​表面​を​電子​ビーム​で​走査​すると、​試料​から​二次​電子​が​放出​さ​れる。​この​二次​電子​を​シンチレータ​に​て​光​の​信号​に​変換​し、​その​輝度​信号​を​操作​信号​に​同期​させる​こと​により​画像​として​ディスプレイ​表示​する​装置​で​ある。​装置​を​大​きく​分ける​と​鏡​筒​系、​真空​系、​電気​系、​操作​系​の​4​つ​の​部分​から​構成​さ​れる。

)​鏡​筒系

A)​電子銃
​電子​銃​は​電子​顕微鏡​の​光源​で​あり、​加熱​した​フィラメント​に​電子​加速​用​の​マイナス​高​電圧​を​印加​し、​鏡​筒​内​に​電子​ビーム​を​放出​する。

B)​電子​レンズ
​電子銃より放出された電子ビームを磁場や電場で収束させ、​さらに​試料​表面​に​ピン​ポイント​的​に​集束​させる​電子​の​レンズ​が​用​い​られる。​この​レンズ​の​働き​を​する​の​が、​電磁石​や​円形​磁石​で​ある。​電子​顕微鏡​に​は、​この​電子​レンズ​が​複数個​用​い​ら​れ​て​いる。

C)​走査​コイル、​スティグマトール
​走査​コイル​は、​分解能​まで​集束​さ​せ​た​電子​ビーム​を​試料​表面上​で​X、​Y​方向​に​走査​する​ため​に​用​い​られる。​スティグマトール​は、​電子​ビーム​の​非​点​収差​を​補正​する​ため​の​コイル​で​あり、​光学​顕微鏡​で​生じる​光学​収差​の​補正​に​相当​する​もの​で​ある。

D)​試料室
​観察​対象​と​なる​試料​を​導入​する​ところで、​試料​台​を​X-、​Y-、​Z-​軸​方向​に​移動​や​回転​できる​マニュピレータ​が​取り付け​ら​れ​て​いる。

)​真空系
​電子​顕微鏡​では、​普通​10-5​から​10-6Torr​の真空度が要求され、​一次​排気​ポンプ​と​二次​高​真空​ポンプ​の​組み合わせ​で​要求​さ​れる​高​真空​を​作り​出し​て​いる。

)​電気系
​電気​系​は、​電子​銃​高圧​電源、​電子​銃​フィラメント​電源、​スティグマトール​(非​点​収差​補正​コイル)​電源、​走査​コイル​電源、​光​電子​増​倍​管​電源、​真空​ポンプ​や​バルブ​など​から​構成​さ​れる。

)​操作系
​電子​顕微鏡​に​必要​と​さ​れる​操作​は、​始動、​停止、​加速​電圧​調整、​レンズ​系​調整、​画像​調整、​真空​系​動作​表示、​真空​ポンプ​調整、​真空​バルブ​制御、​倍率​表示、​倍率​調整、​試料​位置​調整​など​が​ある。

 

開発​における​ハード​と​ソフト​の​要件

作成​した​小型​走査​型​電子​顕微鏡​の​構成​を​図​2​に​示す。

(1)​制御​信号系

)​電子​銃​フィラメント​電源​の​電流​制御
​電子​顕微鏡​の​心臓​部​とも​なる​電子​(熱​電子)​発生​源​として​の​フィラメント​へ​の​電流​調整

)​電子​銃​加速​電源​の​電圧​制御
​顕微鏡​の​光源​と​なる​電子​を​加速​する​ため​の​高​電圧​(0​~​20kV)​調整

)​次​電子​加速​電源​の​電圧​制御
​電子​銃​から​試料​に​照射​さ​れ​た​電子​により、​二次​的​に​試料​から​発生​する​電子​を​光​電子​増​倍​管​へ​引き寄せる​ため​の​加速​電圧​(0~10kV)​調整

)​一次​真空​ポンプ​(ダイ​アフラ​ム​ポンプ)​制御
​起動​タイミング​と​動作​時間​の​調整

)​二次​真空​ポンプ​(ターボ​分子​ポンプ)​制御
​起動​タイミング​と​動作​時間​の​調整

) 鏡​筒​部​真空​バルブ​の​開閉​制御
​高​真空​の​維持​の​ため​の​気密​操作

)​試料​室​真空​バルブ​の​開閉​制御
​高​真空​の​維持​の​ため​の​気密​操作

 

(2)​計測​信号系

)​一次​系​真空​度​計測
​低​真空​度​の​計測

)​二次​系​真空​度​計測
​高​真空​度​の​計測

)​鏡​筒​部​真空​度​計測
​電子​ビーム​の​放射​可能​真空​度​の​計測

)​試料​室​真空​度​計測
​観測​対象​と​なる​試料​室​の​真空​度​計測

 

(3)​観測​信号系

)​光​電子​増​倍​管​信号​の​観測
​光​電子​増​倍​管​の​動作​状態​の​管理​と​信号​計測

)​二次​電子​加速​電源​の​制御
​光​電子​増​倍​管​へ​二次​電子​を​導く​加速​電圧​の​制御

)​スティグマトール​(非​点​補正​コイル)​の​制御
​電子​ビーム​の​歪み​を​補正​する​ため​の​8​極​から​構成​さ​れる​コイル​へ​の​電流​制御

)​試料​走査​コイル​の​制御
​観測​対象​表面​部位​で​電子​ビーム​の​スキャン​を​行う​制御

)​映像​信号​の​同期​制御
​光​電子​増​倍​管​から​の​信号​と​電子​ビーム​の​走査​部位​と​を​同期​し、​画像​を​構成​する​ため​の​制御

 

要求​仕様​を​実現​する​ため​に​採用​した​NI​製品

●PCI-​GPIB(GPIB​インタフェース)
​電子​顕微鏡​を​構成​する​計測​器、​制御​器、​増幅器​の​回路​基盤​に​5V、​12V、​15V、​24V、-15V​の​各​電力​を​供給​する​2​台​の​多​出力​汎用​電源​装置​で​通電​の​起動​タイミング​や​終了​タイミング​制御​に​利用​した。

 

●PCI-6024E(マルチ​ファンクション​DAQ)
​電子​銃​電子​加速​電圧​0~20kV​の​調整​と​測定、​電子​銃​フィラメント​電流​0~1A​の​調整​と​計測、​非​点​収差​補正​用​8​極​コイル​における​磁場​制御、​画像​用​コンピュータ​の​走査​速度​と​観測​視野​の​走査​範囲​制御​に​利用​した。

 

●PCI-1411(シングル​チャネル​画像​集録)
​映像​化​さ​れ​た​電子​顕微鏡​像​の​計測、​画像​処理、​画像​ファイル​リング​を​コンピュータ​へ​行う​ため​の​画像​入力​に​利用​した。

 

●PCI-6024E(マルチ​ファンクション​DAQ)
​真空​系​における​2​個​の​バルブ​開閉​制御、​2​台​の​ポンプ​起動​停止​タイミング​制御、​4​台​の​真空​センサ​の​信号​計測​に​利用​した。

LabVIEW​によって​作成​した​電子​顕微鏡​の​操作​パネル​画面​を​図​3​に​示す。​小型​走査​電子​顕微鏡​の​概観​と​電子​顕微鏡​写真​例​を​図​4​と​図​5​に​示す。

 

まとめ

NI​製品​を​利用​した​開発​事例​では、​LabVIEW​や​PXI​など​の​ソフト​や​ハード​モジュール​の​選定​から​行い​開発​期間​の​短縮​が​行​われる​こと​が​多い​と​思​われる。​今回​の​開発​において​は、​ハード​ウエア​製作​と​ソフトウエア​開発​は、​従来​の​レ​ガ​シー​な​方法​による​プリント​基板​作成​や​プログラミング​言語​による​作業​が​行​われ​てい​た​が、​大​きく​予定​期日​を​超過​し​てい​た。​既に​先行​開発​を​終​え​てい​た​システム​に対して​LabVIEW​を​利用​した​事例​で​ある。​一般​的​に​制作​方針​の​変更​は​弊害​が​大​きく​なる​こと​が​少​なく​ない。​しかし、​今回​は、​予定​さ​れ​てい​た​期間​へ​と​時間​短縮​を​する​ことに​LabVIEW​が​大​きく​貢献​した。​また、​LabVIEW​の​製品​として​の​性能​のみ​で​なく、​NI​社​が​提供​する​テクニカル​サポート​体制​も​有益​で​あっ​た。



​新しい​システム​機器​を​開発​する​ときには、​ハード​ウエア​の​製作​と、​それ​を​制御​する​ソフトウエア​の​開発​が​不可欠​と​なる。​この​作業​が​並行​し​て​行​われる​こと​が​珍​しく​ない​が、​ハード​ウエア​と​ソフトウエア​を​接続​し​て、​動作​の​検証​時に​問題​点​が​発生​し​修正​を​する​こと​も​少​なく​ない。​この​問題​点​の​検証​と​修正​を​迅速​に​行​わな​け​れ​ば​が、​製作​コスト​の​増加​や​時間​が​要求​さ​れる​過程​でも​ある。​一般​的​に​ハード​ウエア​の​コスト​も​無視​でき​ない​が、​本​システム​の​よう​に​機器​開発​と​その​性能​を​左右​する​ソフトウエア​に​比重​が​大きい​場合​に​は、​LabVIEW​の​よう​な​短期​に​開発​検証、​そして​実機​へ​の​導入​を​視野​に​入れ​た​ソフト​開発​ツール​の​存在​の​重要性​を​あらためて​実感​した。