| 研究課題/領域番号 |
18H05240
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| 研究機関 | 静岡大学 |
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研究代表者 |
川人 祥二 静岡大学, 電子工学研究所, 教授 (40204763)
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| 研究分担者 |
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, 教授 (40334958)
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| 研究期間 (年度) |
2018-06-11 – 2023-03-31
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| キーワード | 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 / 誘導ラマン散乱イメージング / 蛍光寿命顕微撮像 |
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| 研究実績の概要 |
時間分解撮像のピクセル基本素子については、STEGE2のTPD構造ピクセルとして3タップ1ドレイン及び、8タップ1ドレインの高速TPD素子の試作に成功し、大受光面の素子により応答時定数530psの高速動作を近赤外領域(850nm)で達成する等、光電荷変調素子技術として確立された。また本研究課題の開始後に生まれたカスケード型マルチタップピクセル関しては、TPD素子構造に基づく2分岐6タップ素子等について試作に向けた設計を完了した。
本研究課題の超高分解能ToF計測への応用に関して、STAGE0の構造をもつ3タップLEFM素子、及び参照光サンプリングを用いたジッタノイズ低減により、10 回平均のフィルタ処理を加えた場合で標準偏差27umという極めて高い測距分解能を達成した。
STAGE1 のTPD 構造を用いた8タップ時間分解ピクセルにおいて、複数のゲートを同時駆動する等により近赤外領域での応答を高速化した時間分解近赤外分光(TR-NIRS)センサの試作に成功した。IRFの時定数として240ps（波長:780nm）を達成し、先に試作したSTAGE0の構造による時間分解イメージセンサで得られた350psに対して大きく前進した。試作素子を用いてラットの脳血流のTR-NIRS計測を試み、酸素化ヘモグロビン濃度の変化に伴う吸収係数のわずかな変化を捉えることに成功した。
誘導ラマン散乱(SRS: Stimulated Raman Scattering)マルチチャネル分光イメージングシステムに関して、STAGE1のTPD 構造を用いた2-Tap 高速ロックインピクセルと新規考案のアナログ領域での2重復調動作を有するSRS 信号抽出・増幅回路を10 チャネル集積化したテストチップを試作し、検出性能を支配する回路の1/f ノイズを大幅に低減できることを確認した。また128チャネルのSRS分光センサについても、その基本特性の評価を実施した。
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| 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
本研究課題の光電荷変調素子であるTPD素子に関しては、本研究課題で初めて実現された8タップ1ドレインの光電荷変調素子において近赤外領域での高速応答を実現する等、今後広く時間分解応用計測に供することができるピクセル基本素子技術として確立されている。カスコード型マルチタップ電荷変調素子については、2重変調による超高精度時間分解計測及び多数のタップ出力に対して超高速復調動作の実証を目指したデザインに基づくピクセル設計を完了している。
また本提案のマルチタップ光電荷変調素子を用いた実際の応用光計測についても、当初計画通り着実に成果を上げている。まず超高分解能ToF計測への応用に関しては、研究開始当初の64umから、27umへと分解能を向上させている。提案素子の近赤外領域での高速応答を用いた時間分解近赤外分光(TR-NIRS)センサについては、IRFの時定数を240psまで向上させることで、ラットの脳血流の酸素化ヘモグロビン濃度の変化を捉えることに成功する等、先に試作したSTAGE0 のTPD 構造(LEFM)による時間分解イメージセンサで得られた350ps(波長:851nm)に対して大きく前進した。誘導ラマン散乱（SRS）計測への応用については、10チャネルのテストチップの試作により、提案回路の1/fノイズ除去性能を確認するとともに、128チャネルのマルチプレクス型SRS分光センサについても既に試作と基本特性の評価が完了しており、予定通りに進展している。
以上の通り、個々の課題が概ね予定通り進行しており、また当初計画にはなかったカスケード型光電荷変調素子による成果も得られていることから、「(2)おおむね順調に進展している。」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
TPD構造による光電荷変調素子については、まず試作された8タップ１ドレインのTPD素子(STAGE2)に関して、他の方式では実現されていない高外乱光下における1画像フレームによる長距離(>10m)高分解能ToF測距の実証を目指す。また、6タップ以上のマルチタップピクセルにおける超高速動作の実証に向けて、カスケード変調構造を導入し、その電位変調部の構造最適化を図り、応用計測上の更なる性能向上を図るべく設計・試作を進める。
本研究の光電荷変調素子を用いた応用計測として、まず超高分解能ToF測距に基づく精密3Dモデリングについては、カスケード変調構造による時間分解ピクセル素子と2重変調により、一層効果的にジッタノイズを低減し、究極の目標である10umを切る分解能にどこまで迫れるかを明らかにする。またバイオイメージングへの応用としての蛍光寿命イメージングについては、フェーザ法における高調波成分に着目した独立成分分析により蛍光成分の分離を図り、時間分解能を向上した光電荷変調素子により、複数の蛍光寿命計測の精度を向上させ、病理診断ツールへの実用化にむけた基礎を築く。
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128チャネルのSRS並列分光システムについては、試作したSRS分光センサと、フェムト秒レーザ等からなる計測系を構築し、その動作確認と実試料に対するSRS分光計測の実証を目指す。
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