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2016 年度 実績報告書

水ストレス状態を定量化するデュアル光コムによるワンショット3D分光イメ ージング

研究課題

研究課題/領域番号 15H02026
研究機関宇都宮大学

研究代表者

山本 裕紹  宇都宮大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00284315)

研究分担者 安井 武史  徳島大学, 大学院理工学研究部, 教授 (70314408)
梅田 大樹  国立研究開発法人農業・食品産業技術総合研究機構, 野菜花き研究部門, 研究員 (70615377)
南川 丈夫  徳島大学, 大学院理工学研究部, 講師 (10637193)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード光周波数コム / 分光イメージング / 共焦点顕微鏡 / 反射型光学素子 / 植物工場
研究実績の概要

本研究の目的は,植物工場において生育する植物の水ストレス状態を定量化するデュアル光コムによるワンショット3D分光イメージングを行う共焦点レーザー顕微鏡を開発することである.ワンショットでフルフィールド画像を取得できる共焦点顕微鏡は,植物工場の現場における植物細胞のライブイメージングを可能にする.植物工場の収率向上に重要な水分量が枯渇寸前の状態(水ストレス状態)を定量的に取得し,瞬時に可視化する光学手法を明らかにする.
本年度は,(1)分光イメージングのためのブロードバンド光源を利用した3次元配光照明と分光イメージングを行った.予備実験によりLEDの光では水分量による顕著な違いが見られなかったため,新たに太陽光と同等の広いスペクトルで構成されるサーマルシミュレーターを光源に用いる照明光学系を構築した.光ファイバーガイドで射出されるサーマルシミュレーター光源と反射型光学素子を利用して複数の葉で囲われた中央部分を照明できることを実証した.この照明光を用いて照明を行い,葉の水分量を変えたサンプルに対して,ハイパースペクトルカメラによる分光イメージングを行った.(2)光周波数コムにおける離散スペクトルを,空間位置に変換する光学系を構築した.VIPAと回折格子を用いて波長/2次元平面の変換が行われた集光スポット列をサンプルに照射して,サンプルの反射光の検出において,対物レンズからサンプルまでの距離に応じて反射光が鋭敏に変化する共焦点効果を実証した.(3) 光コムの周波数スケールをRF帯まで周波数ダウンスケーリングする技術であるデュアル光コム分光を実現して,光周波数コムの光を回折格子で1次元配列に変換して照明して,サンプルでの反射光の離散スペクトルを1本ずつ検出した.これにより,1ショットで1ラインを同時並列に読み出せる共焦点顕微鏡技術を実現した.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究の目的は,植物工場において生育する植物の水ストレス状態を定量化するデュアル光コムによるワンショット3D分光イメージングを行う共焦点レーザー顕微鏡を開発することであり,本プロジェクトは,周波数が安定化された光コム光源による波長/2次元平面変換機能によるワンショット共焦点レーザー顕微鏡技術の開発,植物の水分状態の分光画像の処理ならびに植物工場での実証試験から構成される.この目標に対して,太陽光と同様のブロードバンド光を照明に用いて葉が生い茂る中での分光イメージングを行うための3次元照明光学系の開発と分光画像の取得,波長/2次元平面変換の達成とデュアル光コム分光によるライン同時共焦点顕微鏡技術を実現している.

今後の研究の推進方策

本研究の目的である水ストレス状態を定量化するデュアル光コムによるワンショット3D分光イメージングを達成するために,3年の計画で研究を進める.平成28年度には,(1)植物工場におけるin vivo観察と(2)ワンショット共焦点レーザー顕微鏡にけるデコンボリューション処理を行う.
(1)これまでの実験の結果,植物をin vivoで観察するためには,葉の立体形状や表面の毛茸が観察を妨げることがわかった.そこで,新たにディフォーマブルミラーを用いて波面補正を行う光学系を導入する.(2) 集光レーザーとピンホールを用いて深さ分解能を向上させる共焦点レーザー顕微鏡の同時並列化を行うとともに,デュアル光コム分光で取得された値をもとにデコンボリューション処理による画質向上のため,この分野のスキルと知識を有する研究者に分担者に加わっていただくことで,研究の推進をはかる.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) 学会発表 (16件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 産業財産権 (1件) (うち外国 1件)

  • [国際共同研究] エクセター大学(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      エクセター大学
  • [雑誌論文] ライン集光スリットと波長‐空間変換を用いたスキャンレス・フルフィールド共焦点レーザー顕微鏡2016

    • 著者名/発表者名
      安井武史,宮本周治,長谷栄治,南川丈夫,山本裕紹
    • 雑誌名

      光アライアンス

      巻: 27 ページ: 10-13

  • [学会発表] 異分野融合によるブルーオーシャン戦略2017

    • 著者名/発表者名
      山本裕紹
    • 学会等名
      第11回NIBBバイオイメージングフォーラム
    • 発表場所
      基礎生物学研究所,愛知
    • 年月日
      2017-02-14 – 2017-02-14
  • [学会発表] 反射型結像素子を用いた赤外光の収束による局所暖房2017

    • 著者名/発表者名
      堀江ひとみ,岡本智行,糸井川高穂,山本裕紹
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第37回年次大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス,徳島
    • 年月日
      2017-01-07 – 2017-01-07
  • [学会発表] 波長/空間変換を用いたスキャンレス共焦点レーザー顕微鏡の開発2017

    • 著者名/発表者名
      宮本周治,長谷栄治,南川丈夫,安井武史,山本裕紹
    • 学会等名
      レーザー学会学術講演会第37回年次大会
    • 発表場所
      徳島大学常三島キャンパス,徳島
    • 年月日
      2017-01-07 – 2017-01-07
  • [学会発表] Visual and Thermal Floating Display with AIRR and WARM2016

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Okamoto, Shusei Ito, Kenta Onuki, Sho Onose, Takaho Itoigawa, Hirotsugu Yamamoto
    • 学会等名
      IDW/AD '16
    • 発表場所
      福岡国際会議場,福岡
    • 年月日
      2016-12-09 – 2016-12-09
    • 国際学会
  • [学会発表] 施設園芸における作物水分動態推定技術の開発(1) ~ 分光センサを用いた非侵襲計測手法における指標開発 ~2016

    • 著者名/発表者名
      杉原 敏昭, 澁澤 栄, 梅田 大樹, 岩崎 泰永, 中野 明正
    • 学会等名
      知的環境とセンサネットワーク研究会 (ASN)
    • 発表場所
      名古屋大学,愛知
    • 年月日
      2016-11-17 – 2016-11-17
  • [学会発表] キャンレスデュアル光コム顕微鏡を用いた共焦点位相差イメージング2016

    • 著者名/発表者名
      長谷栄治,南川丈夫,宮本周治,山本裕紹,安井武史
    • 学会等名
      Optics & Photonics Japan 2016
    • 発表場所
      筑波大学東京キャンパス文京校舎, 東京
    • 年月日
      2016-11-02 – 2016-11-02
  • [学会発表] AIRRとWARMの複合化による熱感覚のある空中ディスプレイ2016

    • 著者名/発表者名
      岡本智行,伊藤秀征,小貫健太,小野瀬翔,糸井川高穂,山本裕紹
    • 学会等名
      Optics & Photonics Japan 2016
    • 発表場所
      筑波大学東京キャンパス文京校舎, 東京
    • 年月日
      2016-10-31 – 2016-10-31
  • [学会発表] Visual and thermal aerial display by use of a parabolic mirror2016

    • 著者名/発表者名
      Hitomi Horie, Tomoyuki Okamoto, Hirotsugu Yamamoto
    • 学会等名
      OSJ-OSA Joint Symposia 2016
    • 発表場所
      筑波大学東京キャンパス文京校舎, 東京
    • 年月日
      2016-10-30 – 2016-10-30
    • 国際学会
  • [学会発表] 放物面鏡を用いた空中ヒーターの実証実験2016

    • 著者名/発表者名
      堀江ひとみ,岡本智行,糸井川高穂,山本裕紹
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,新潟
    • 年月日
      2016-09-16 – 2016-09-16
  • [学会発表] フォトニックインテリジェンスの様相:イントロダクトリー2016

    • 著者名/発表者名
      山本裕紹
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,新潟
    • 年月日
      2016-09-15 – 2016-09-15
    • 招待講演
  • [学会発表] 次元変換光コムを用いたスキャンレス・フルフィールド共焦点顕微鏡の開発(3)2016

    • 著者名/発表者名
      長谷栄治,宮本周治,南川丈夫,山本裕紹,安井武史
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,新潟
    • 年月日
      2016-09-15 – 2016-09-15
  • [学会発表] 共焦点レーザー走査型光コム顕微鏡の開発2016

    • 著者名/発表者名
      長谷栄治,宮本周治,安井武史,山本裕紹,南川丈夫
    • 学会等名
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,新潟
    • 年月日
      2016-09-15 – 2016-09-15
  • [学会発表] Development of aerial heater that converges infrared lights by use of WARM2016

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Okamoto, Kenta Onuki, Sho Onose, Takaho Itoigawa, Hirotsugu Yamamoto
    • 学会等名
      JSAP-OSA Joint Symposium 2016
    • 発表場所
      朱鷺メッセ・新潟コンベンションセンター,新潟
    • 年月日
      2016-09-13 – 2016-09-13
    • 国際学会
  • [学会発表] Real Image Forms SF Display2016

    • 著者名/発表者名
      Hirotsugu Yamamoto
    • 学会等名
      IMID 2016
    • 発表場所
      ICC Jeju, Jeju, Korea
    • 年月日
      2016-08-26 – 2016-08-26
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Large thermal display with converging far-infrared by square pipe array (SPA)2016

    • 著者名/発表者名
      Tomoyuki Okamoto, Kenta Onuki, Sho Onose, Takaho Itoigawa, Hirotsugu Yamamoto
    • 学会等名
      IMID 2016
    • 発表場所
      ICC Jeju, Jeju, Korea
    • 年月日
      2016-08-25 – 2016-08-25
    • 国際学会
  • [学会発表] Scan-less, Line-filed, Confocal Microscopy Based on Dimensional-Conversion Optical Frequency Comb2016

    • 著者名/発表者名
      E. Hase, S. Miyamoto, Y.-H. Hiseh, T. Minamikawa, H. Yamamoto, and T. Yasui
    • 学会等名
      CLEO 2016
    • 発表場所
      San Jose Convention Center, San Jose, CA, USA
    • 年月日
      2016-06-09 – 2016-06-09
    • 国際学会
  • [産業財産権] 計測装置2016

    • 発明者名
      安井武史,(省略5名),山本裕紹
    • 権利者名
      徳島大学,宇都宮大学
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      PCT/JP2016/66636
    • 出願年月日
      2016-06-03
    • 外国

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公開日: 2018-01-16   更新日: 2022-08-26  

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