2021 Fiscal Year Annual Research Report
超高速動画並列イメージング顕微鏡法の創成とその応用に関する研究
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20J23542
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
井上 智好 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ホログラフィ / 超高速イメージング / 超短パルスレーザ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，拡大観察時を想定し，偏光伝播が微弱光の場合でもスローモーション記録できる，イメージセンサによる記録方法および記録システムの考案と実験的実証を行った．拡大観察時には記録対象である物体光パルスが撮像素子に到達するタイミングが通常のものとは異なり，得られる再生像の形状といった像特性が拡大率や拡大光学系に用いるレンズの開口や焦点距離に依存する．まず初めに，拡大率や拡大光学系に用いるレンズの開口や焦点距離が再生像の形状に与える影響を，光線追跡法に基づく計算機シミュレーションで解析した．その結果，記録技術として用いるlight-in-flightホログラフィは，高い拡大率で光伝播を観察する場合には弧状および円形の歪みが再生像に生じることや観察範囲が減少することを明らかにした．この結果は学術論文で発表を行った（T. Inoue, et al., Appl. Phys. B 128, 53 (2022).）．さらに上記の拡大観察時の影響と偏光イメージングカメラの画素間隔や画素サイズを考慮して，偏光成分を空間分割多重して記録する最適な方法を設計した光学系で実験的検証を行い，学術論文で発表を行った（T. Inoue, et al., Appl. Opt. 61, B206 (2022).）．また，これまでに実証実験で用いている光を伝播させる物体は，実証実験の複雑性を排除するため平面上の物体を採用し，2次元方向の変化に伝播する光を記録・観察していた．本年度は，試料の用意と使用が簡便であるゼラチン等を利用して，生体試料を模した試料物体を作製して作製した試料に光を伝播させて，超高速イメージング技術により記録・観察を行った．その結果，奥行き厚みのある物体中において，光伝播を観察できることを示した（T. Inoue, et al., Sci. Rep. 11, 21890 (2021).）．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
超高速動画並列イメージング顕微鏡法において，拡大観察時を想定し，偏光伝播が微弱光の場合でもスローモーション記録できるイメージセンサを用いた記録方法および記録システムの考案と実験的実証を行った．拡大率や拡大光学系に用いるレンズの開口や焦点距離が再生像の形状に与える影響を，光線追跡法に基づく計算機シミュレーションで解析し，高い拡大率で光伝播を観察する場合には弧状および円形の歪みが再生像に生じることや観察範囲が減少することを明らかにした．また，拡大観察時の影響と偏光イメージングカメラの画素間隔や画素サイズを考慮して，偏光成分を空間分割多重して記録する最適な方法を設計した光学系で実験的検証を行った．さらに，試料の用意と使用が簡便であるゼラチン等を利用して，生体試料を模した試料物体を作製して作製した試料に光を伝播させて，超高速イメージング技術により記録・観察を行った．その結果，奥行き厚みのある物体中において，光伝播を観察できることを示した．以上の研究内容は査読付き国際学術論文誌6編(内筆頭著者4編)に受理または掲載され，また多数の学会発表の業績を上げた。また，以上の研究成果から，国際会議出張助成2件（公益財団法人村田学術振興財団 研究者海外派遣援助，公益財団法人NEC C&C財団 前期国際会議論文発表者助成）に採用と学術的に極めて高く評価された．以上，期待以上の研究進展があった．
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| Strategy for Future Research Activity |
微小領域における偏光の伝播をスローモーション観察する顕微鏡光学系で，記録できる偏光伝播の動画数を向上させる手法を提案・実証し，記録システムを構築する．記録材料はまずCCDやCMOSといった一般的なイメージセンサを用いる．初めに，実際に使用するイメージングカメラの画素間隔や画素サイズを考慮して，偏光成分を空間分割多重記録を考慮せず，角度多重方式を導入する際に最適な方法を設計する．この際，記録対象である物体光パルスと記録に用いる参照光パルスがイメージセンサに到達するタイミングが通常の記録方式とは異なることが予想される．以上のような通常の記録方式との差異から生じる課題や必要となるパラメータや動画の記録時間を延長するための実験条件を理論検証と計算機シミュレーションで明らかにする．計算機シミュレーションには光線追跡法に基づく方法と波動光学に基づく方法を用いる．
計算機シミュレーションの後，動画の記録時間が延長できるかどうかを，実証実験を行い検証する．実証実験の際には，評価を行いやすくするため散乱体に伝搬領域を計算できるような目盛りを取り付けたものを使用する．
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