2019 Fiscal Year Annual Research Report
Ultimately-Time-Resolved Imaging Devices Using Ultrafast Hybrid Cascade Photo-Charge Modulators and Their Applications
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18H05240
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
川人 祥二 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40204763)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
香川 景一郎 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (30335484)
庭山 雅嗣 静岡大学, 電子工学研究所, 准教授 (40334958)
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| Project Period (FY) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| Keywords | 光電荷変調素子 / 高時間分解撮像 / バイオメディカルイメージング / 光飛行時間デプスイメージング / 血液動態計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
STAGE2(基板表面部を複数の電極に分割して動的にゲート制御する段階)のTPD(Tapped Pinned Diode)構造による8タップ光電荷変調素子の試作に世界で初めて成功した。光電子の画素内高速輸送制御の証である優れた光電荷変調特性の取得に成功し、応答時定数660psの高速応答が、9.6umの開口、波長440nmにおいて得られた。
LEFM(本研究課題開始以前のSTAGE0のTPD構造)は、可視領域の時間応答が速くマルチタップ化が可能で広視野蛍光寿命イメージング(FLIM)を用いた定量計測に適している。UCI E. Gratton教授らとの共同研究により、FLIM応用として、ローダミンBを用い、細胞の局所的な温度分布イメージングに成功した。またNIH-3T3細胞を用いて、平均FRET効率の定量計測に成功した。散乱係数と吸収係数を決定し血液量の正確度を向上させる近赤外分光法で時間分解波形を利用する手法について実測を行った。LEFM時間分解センサを用いてファントムを対象として、平均光路長とともに時間分解波形が取得できることを確認した。
マルチタップ時間分解撮像デバイスでは露光時間を複雑に制御したプログラム露光が可能であり、これを利用した新しいマルチ露光レーザースペックルコントラストイメージング(MELSCI)をUCI Bernard Choi准教授らと開発した。また高速度カメラ画像を用いたシミュレーションにより、8タップ時間分解画素に指数関数的露光を適用することで、低い読み出し速度で高速度カメラと遜色ない結果が得られることを明らかにした。
高近赤外感度の特徴をもつLEFM時間分解撮像デバイスの応用として、顔から心拍変動スペクトログラムを計測することにも成功し、ストレス計測の手段として有用であることを実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題のハイブリッドカスケード光電荷変調素子(HyCAM)は、埋込フォトダイオードの基板表面部を電極化しTPD構造とすることで光電変換部の電位変調度を高め、大受光面、多タップの素子構造で、超高速光電荷変調を可能とする素子である。STAGE2のデバイス試作において、9.6um開口、8タップ、660ps@440nm, 970ps@850nmという性能を得ており、従来素子に比べて飛躍的に前進した。HyCAMのもう一つの特徴である「電荷変調構造のカスケード接続による更なる高速応答性、低ノイズ信号読出し、及び高機能性」については、研究期間の中盤までに画素の基盤技術開発を、後半にかけてデバイス試作と応用光計測を実施する計画であり、ほぼ計画通りに進行させている。カスケード型電荷変調素子及び、電荷2段転送構造によるTrue-CDS低ノイズ読出し素子の試作をまもなく完了し、R2年度早々から評価を開始できる状況にある。また、当初計画にはなかった、カスケード型の2段目の変調部をマルチタップ化し参照光を直接画素に加える“光2重変調法”を考案した。これにより、極めて高精度な時間分解光計測を実現できる撮像デバイス技術が、本研究によって完成する可能性がある。
TPD構造の時間分解撮像デバイスを用いた応用光計測については、STAGE１(基板表面を電極化して静的バイアスを与える段階)TPD構造の8タップTOF計測への応用が進んでおり、計画よりやや早く進展している。また、高分解能TOF計測、FLIM、時間分解血液動態計測等について、既存のLEFMを変調器端部にもつSTAGE0のTPD構造を用いて、幾つかの重要な学術的研究成果を上げている。
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| Strategy for Future Research Activity |
TPD構造の形成条件の確立、構造最適化は、ほぼ完成の域にあるが、電荷ストレージ構造とカスケード変調構造を組み込むための構造形成条件の確立、構造最適化は、まず第一次的な技術として確立し、R3年度までに完成させる。特に、“光2重変調法”を応用したカスケード変調素子の試作に配慮して、構造最適化等を行う。
高速動作について有利なTPD構造を応用した電荷変調素子による精密3Dモデリングを実施し、接触式計測の置き換えを可能とする10umを切る分解能にどこまで迫れるかを明らかにする。また電荷変調素子に高速応答性を活かしたTOF式血液動態計測、微小空間での精密TOF計測法(内視鏡応用、マルチパス回避)などの応用研究を進める。
マルチタップ・低ノイズの高時間分解撮像デバイスの有用性を、FLIM・MELSCI等のバイオイメージングにおいて実証する。試作した8タップデバイスと、従来の4或いは2タップ法との比較を行い、タップ数増によるSN比改善効果を明らかにする。
近赤外領域の自己応答時定数と量子効率を改善したデバイスを試作し、時間分解NIRSにおける等価散乱係数、吸収係数の推定精度向上の効果を確認する。そのデバイスを応用し、深層で定量性の高い血液動態計測アルゴリズムを構築し、最終年度までに血液動態計測における有用性を明らかにする。
誘導ラマン散乱(SRS)による生体内物質の無染色高速イメージングを行う多焦点マルチプレクスSRSイメージングシステムの実現を目指し、これまでの画素単位の試作評価結果に基づき、SRSマルチプレクスセンサの原理確認試作を行って最終年度までに動作確認を目指す。
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Research Products
(54 results)
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[Presentation] Indirect time-of-flight CMOS image sensor using 4-tap charge-modulation pixels and range-shifting multi-zone technique2020
Author(s)
K. Mars, K. Kondo, M. Inoue, S. Daikoku, M. Hakamata, K. Yasutomi, K. Kagawa, S-W Jun, Yo. Mineyama, S. Aoyama, S. Kawahito
Organizer
Electronic Imaging 2020
Int'l Joint Research
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[Book] LiDARの最前線, 第３章TOF距離画像センサ2019
Author(s)
伊東敏夫, 曽我峰樹, 服部豊成, 谷口克哉, 川人祥二, 北野和俊, 水戸部涼太, 西川雄郎, 鷲尾邦彦, 鈴木高志, 中川雅史, 二宮芳樹, 鈴木太郎, 福島寛之, 黒田洋司
Total Pages
141
Publisher
S&T出版
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