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時空間光波シンセシスによる散乱透視基盤の構築

Planned Research

Project AreaComprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance
Project/Area Number 20H05886
Research Category

Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A)

Allocation TypeSingle-year Grants
Review Section Transformative Research Areas, Section (II)
Research InstitutionKobe University

Principal Investigator

的場 修  神戸大学, 次世代光散乱イメージング科学研究センター, 教授 (20282593)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 上野原 努  大阪大学, 工学研究科, 助教 (10868920)
小倉 裕介  大阪大学, 情報科学研究科, 准教授 (20346191)
全 香玉  神戸大学, システム情報学研究科, 助教 (40814778)
亀井 保博  基礎生物学研究所, 超階層生物学センター, RMC准教授 (70372563)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help
¥206,050,000 (Direct Cost: ¥158,500,000、Indirect Cost: ¥47,550,000)
Fiscal Year 2022: ¥22,490,000 (Direct Cost: ¥17,300,000、Indirect Cost: ¥5,190,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,930,000 (Direct Cost: ¥16,100,000、Indirect Cost: ¥4,830,000)
Fiscal Year 2020: ¥57,980,000 (Direct Cost: ¥44,600,000、Indirect Cost: ¥13,380,000)
Keywordsマルチモーダルイメージング / 散乱光イメージング / 強度輸送方程式 / ディジタルホログラフィー / シングルピクセルイメージング / 蛍光ディジタルホログラフィ
Outline of Research at the Start

マルチスケールの散乱・揺らぎ媒質の散乱現象を解明し、内部にある情報またはその向こう側にある情報を透視する技術を構築するための光計測及び情報復元技術を構築する。光計測技術として、散乱光波の強度、位相、蛍光、偏光の多次元物理情報を同時かつ3次元情報として取得するマルチモーダルイメージング技術を体系的に構築する。散乱光波の多次元計測結果から、高解像度画像を復元するためのディジタル光学補正技術を構築する。

Outline of Annual Research Achievements

強度輸送方程式による3次元蛍光イメージングとパターン化照明と計算イメージングに基づく広視野イメージングを一体化したシステム構築に取り組んだ。位相変調素子を用いた領域限定のランダム強度パターンを複数生成し,それをシフトさせることで物体との相関に相当する光エネルギーを取得し,視野を広げた観測が可能であることをシミュレーションで検証した。強度輸送方程式による3次元蛍光イメージングでは,散乱板越しにタバコ培養細胞を観察し,蛍光散乱光の強度と位相分布の同時計測に成功した。また,散乱蛍光の振幅と位相分布を用いた光伝搬計算により3次元蛍光像の復元を行った。シングルピクセルイメージングの高解像度化のために,機械学習を適用した。試料に照明するパターンがボケることを利用して,従来では考慮されていないサブピクセルの情報を抽出することができるネットワークを構築した。照明した2次元パターンの解像度の16倍の解像度のイメージングが可能であることを,シミュレーションおよび実験的に明らかにした。計算イメージングで利用する構造化照明の形状にサブ回折限界光スポットを配置する計算機合成ホログラムの設計を進めた。また,反復アルゴリズムに適切な光軸方向の拘束条件を導入することにより,3次元的なマルチスポット生成が可能であることをシミュレーションにより確認した。ガイド星としての利用をめざして,フェルスター共鳴エネルギー移動を利用し,波長信号により発光を制御できる蛍光系を考案し,その特性を解析した。散乱光イメージングの観察用標本のために,動物,植物でトランスジェニック系統の作出のためのコンストラクトを完成させ,メダカにおいては2種類の蛍光タンパク質(mNeonGreenとtdTomato),コケは熱ショック誘導により核局在蛍光タンパク質(mCitrine)をそれぞれ作出し,誘導系も機能することを確認した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度の研究計画では,散乱体からの散乱光情報を多角的に取得するために,研究分担者と連携して,複数の物理量を同時測定する複数の計測手法の開発に取り組むとした。その結果,散乱体を用いた強度輸送方程式による3次元蛍光イメージング実験,パターン照明と計算イメージングに基づく広視野イメージングおよびシングルピクセルイメージングに取り組んだ。また,これらを統合した一体化マルチモーダルイメージングシステムの構築も開始している。強度輸送方程式による3次元蛍光イメージングにおいては,神戸大学にてハンズオン講習会を通じ,計画班及び他の計画班,公募研究のメンバにもプログラムを公開し,広く使えるようにした。また,公募研究と共同研究を推進し,強度輸送方程式による位相分布推定アルゴリズムの更なる改良にも取り組んでいる。シングルピクセルイメージングでは高解像度化のために,機械学習を適用し,サブピクセル情報を抽出することに成功した。特に,照明した2次元パターンの解像度の16倍の解像度のイメージングが可能であることを,シミュレーションおよび実験的に明らかにしている。照明パターンの設計では,計算イメージングで利用する構造化照明の形状にサブ回折限界光スポットを配置する計算機合成ホログラムの設計を進めている。3次元マルチスポット生成において,反復アルゴリズムに適切な光軸方向の拘束条件を導入することの有効性をシミュレーションにより確認している。散乱媒体の散乱情報取得にはガイド星の利用が考えらえる。このため,フェルスター共鳴エネルギー移動を利用し,波長信号により発光を制御できる蛍光系について取り組みを開始した。また,動植物応用に向けてのモデル試料の作成も進めている。これらの成果は学術論文及び国内外の学会で発表している。これらの成果から「おおむね順調である」と判断した。

Strategy for Future Research Activity

散乱体からの散乱光情報を多角的に取得するために,研究分担者と連携して,複数の物理量を同時測定する複数の計測手法の開発に引き続き取り組み,さらにそれらを統合する一体化計測システムの構築につとめる。これらのイメージング技術を生きた動植物細胞の内部イメージングに適用する。散乱体イメージングでは散乱による影響で画像劣化が著しい。観察系に関しては,散乱による影響の少ないシングルピクセルスキャニングホログラフィーと圧縮センシングまたは深層学習を組み合わせたイメージング技術を開発し,それを蛍光ビーズ及び研究分担者が作成した動植物細胞観察に適用する。また,パターン照明と計算イメージングに基づく広視野イメージングに引き続き取り組み,従来の光学顕微鏡の観察範囲を拡張するイメージング技術の開発を行う。シングルピクセルイメージングでは,空間光変調素子を用いて3次元照明パターンを生成し,擾乱の多い環境下で3次元イメージングの可能性を検討する。散乱体中の照明技術に関しては,強度以外に位相や偏光分布を制御した照明光の生成に取り組む。ベクトル回折理論による計算手法を導入し,計算機合成ホログラムにより強度・位相・偏光分布を操作する手法の開発を進める。散乱透過行列を用いたディジタル光波補正技術に関して参照パターンを取り入れた補正法を開発し,散乱体の向こうで集光する3次元集光技術について検討する。また,散乱光イメージングの対象物として様々な大きさの生体サンプルの改良につとめる。これらの研究を他の計画研究及び公募研究に展開し,共同研究を推進する。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(39 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (12 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 5 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 9 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] The Australian National University(オーストラリア)

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    • Journal Title

      Optics and Lasers in Engineering

      Volume: 151 Pages: 106887-106887

    • DOI

      10.1016/j.optlaseng.2021.106887

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      Hashimoto Sota、Takase Yuki、Inoue Tomoyoshi、Nishio Kenzo、Xia Peng、Rajput Sudheesh K.、Matoba Osamu、Awatsuji Yasuhiro
    • Journal Title

      Applied Optics

      Volume: 61

    • DOI

      10.1364/ao.444760

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      的場 修, 全 香玉, Manoj Kumar, 粟辻安浩
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      的場修,全香玉
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      Inoue Tomoyoshi、Junpei Yuasa、Itoh Seiya、Okuda Tatsuya、Funahashi Akinori、Takimoto Tetsuya、Kakue Takashi、Nishio Kenzo、Matoba Osamu、Awatsuji Yasuhiro
    • Journal Title

      Scientific Reports

      Volume: 11 Pages: 21890-21890

    • DOI

      10.1038/s41598-021-01124-6

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      Kumar Manoj、Matoba Osamu
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      Optics Letters

      Volume: 46 Pages: 5966-5966

    • DOI

      10.1364/ol.438860

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      Quan Xiangyu、Kato Daisuke、Daria Vincent、Matoba Osamu、Wake Hiroaki
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      Neurosci Res.

      Volume: - Pages: 1-1

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      10.1016/j.neures.2021.10.012

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      的場 修, Manoj Kumar, Sudheesh K. Rajput, 全 香玉, 粟辻安浩
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      Volume: 72 Pages: 531-538

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      Volume: 26 Pages: 1-7

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      IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics

      Volume: 27 Pages: 6801809-6801809

    • DOI

      10.1109/jstqe.2021.3064406

    • NAID

      120007038630

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      Xia Peng、Ri Shien、Inoue Tomoyoshi、Awatsuji Yasuhiro、Matoba Osamu
    • Journal Title

      Optics and Lasers in Engineering

      Volume: 141 Pages: 106583-106583

    • DOI

      10.1016/j.optlaseng.2021.106583

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      Okada T, Kato D, Nomura Y, Obata N, Quan X, Morinaga A, Yano H, Guo Z, Aoyama Y, Tachibana Y, Moorhouse AJ, Matoba O, Takiguchi T, Mizobuchi S and Wake H
    • Journal Title

      SCIENCE ADVANCES

      Volume: 7 Pages: 8261-8261

    • DOI

      10.1126/sciadv.abd8261

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  • [Presentation] 深層学習を用いたTIE3次元蛍光像の改善2022

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      大浦 秀喜,Sudheesh K. Rajput,Manoj Kumar,全 香玉,的場 修
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      レーザー学会学術講演会第42回年次大会,X02-14a-X-03
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      片岡将磨,水谷康弘,上野原努,高谷裕浩
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      2022年度精密工学会春季大会学術講演会
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  • [Presentation] Ghost Imaging with Probability Estimation Using Convolutional Neural Network - Improving Estimation Accuracy Using Parallel Convolutional Neural Network -2021

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      Shoma Kataoka, Yasuhiro Mizutani, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
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      ptical Technology and Measurement for Industrial Applications 2021
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  • [Presentation] Deep Learning Ghost Imaging Using Parallel Convolutional Neural Networks for Blur Correction by PSF2021

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      Shoma Kataoka, Yasuhiro Mizutani, Tsutomu Uenohara, Yasuhiro Takaya
    • Organizer
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  • [Presentation] Fluorescence sensing based on dynamic FRET networks2021

    • Author(s)
      Yusuke Ogura, Keita Hayashi, Suguru Shimomura, Takahiro Nishimura, Jun Tanida
    • Organizer
      The 11th Japan-Korea Workshop on Digital Holography & Information Photonics
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      Yusuke Ogura
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    • Author(s)
      Yusuke Ogura, Jinya Inoue, Takahiro Nishimura , Jun Tanida
    • Organizer
      The 12th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication
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      Yusuke Ogura, Keita Hayashi, Suguru Shimomura, Jun Tanida
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  • [Presentation] High-speed 3D imaging of dynamic object by holography2021

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      Yasuhiro Awatsuji, Sota Hashimoto, Junya Inamoto, Tomoyoshi Inoue, Kenzo Nishio, Peng Xia, Takashi Kakue, Osamu Matoba
    • Organizer
      Optics and Photonics Japan 2021, 27aBJ6
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      Manoj Kumar,Marin Shoda,Sudheesh K. Rajput,Xiangyu Quan,Takashi Murata,Yasuhiro Awatsuji,Osamu Matoba
    • Organizer
      Optics and Photonics Japan 2021, 27aBJ9
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  • [Presentation] マルチモーダルイメージング技術とその散乱光計測への展望2021

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      的場 修, 全 香玉, マノジ クマー, スディーシュ ラジプット, 粟辻安浩
    • Organizer
      Optics and Photonics Japan 2021, 28aAS1
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  • [Presentation] 並列位相シフトディジタルホログラフィーによる2 音の動画像記録及びその周波数の空間分布の可視化2021

    • Author(s)
      橋本蒼太, 高瀬裕基, 井上智好, 西尾謙三, 夏 鵬, Sudheesh K. Rajput, 的場 修, 粟辻安浩
    • Organizer
      Optics and Photonics Japan 2021, 28pE11
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  • [Presentation] Sound-field imaging by parallel phase-shifting digital holography2021

    • Author(s)
      . Awatsuji, S. Hashimoto, Y. Takase, T. Inoue, K. Nishio, P. Xia, T, Kakue, S. K. Rajput, O. Matoba
    • Organizer
      The 11th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP2021)
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  • [Presentation] Two-photon holographic multi-spot generation and 3D TIE-based fluorescence imaging for neuroscience and biology2021

    • Author(s)
      Osamu Matoba, Manoj Kumar, Sudheesh K. Rajput, Xiangyu Quan
    • Organizer
      The 11th Japan-Korea Workshop on Digital Holography and Information Photonics (DHIP2021)
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    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Optical three-dimensional live cell imaging techniques2021

    • Author(s)
      Osamu Matoba
    • Organizer
      The 5th International Conference on Optoelectronic and Microslectronic Technology and Application (OMTA2021)
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    • Author(s)
      片岡将磨,水谷康弘,上野原努,高谷裕浩
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  • [Presentation] FRETネットワークを用いた蛍光タグ2021

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      Y. Awatsuji, Y. Takase, S. Hashimoto, T. Inoue, K. Nishio, P. Xia, T. Kakue, S. K. Rajput, O. Matoba
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      https://www.lab.kobe-u.ac.jp/csi-applied-optics/index.html

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      https://www.lab.kobe-u.ac.jp/csi-applied-optics/index.html

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Published: 2020-11-24   Modified: 2022-12-28  

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