2016 Fiscal Year Annual Research Report
サブナノオーダ欠陥評価のための物性分析光相関顕微鏡の開発
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16H04375
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
水谷 康弘 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (40374152)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高谷 裕浩 大阪大学, 工学研究科, 教授 (70243178)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 光相関イメージング / ゴーストイメージング / 散乱光イメージング / 光相関顕微鏡 / 光周波数コム / コンプレッシブセンシング / 超微弱光イメージング / 光子イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，試料からの超微弱散乱光を用いて顕微イメージングし，さらに，分析する装置を開発するものである．超微弱光は一般的なイメージング方法ではSN比の観点から困難であるが，本研究では光相関を利用することで高いSN比を実現するところが特徴である．本年度は，基盤となる装置を試作してその基本性能を比較した．
装置の開発状況は，基本的な光相関顕微鏡システムの構築を行った．光相関イメージング法では，ある光強度分布を有した照明光を測定試料に照明し，試料から散乱した光の強度を点型の検出器で検出し，その光強度と照明光強度分布の相関を計算することにより試料をイメージングする手法である．したがって，システムを構築するためには，ある光強度分布を試料に照明するための照明光学系，顕微鏡システムにするための縮小光学系，散乱光強度を取得するための検出光学系および相関演算を行う計算機を考慮する必要がある．具体的には進捗状況で後述するが，DMDプロジェクタを用いて投影系を構築し，一般的な顕微鏡対物レンズや光電子増倍管を検出器とし，LabViewを用いた機器の制御を行うことで基本システムを確立した．また，そのための微弱光特性などを測定することで基本性能の確認も同時に行った．
光相関イメージング法は新しい技術であるためそもそもの発表が少なく，基本システムの性能評価の段階で学会発表を行った．その結果，微弱光性能に対する関心が高いことが判明し，次年度以降の進捗状況に反映させることも考えている．
上述の通り，本年度は，基本システムの構築と光周波数コムレーザの作製を行う予定であったが，学会発表でえられた反応から基本システムの構築に注力した．これは，次年度以降の予定を前倒ししているため研究計画に対して大きな影響はない
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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
本年度は，光相関顕微鏡の基本システムを構築した．光相関顕微鏡の構成は大きく分けて，照明部，投影部，受光部および相関計算部からなる．照明部の主な役割は，試料にランダムな光を照明するための光強度分布を任意に作り出す装置である．本研究では，DMDプロジェクターを用いてランダムな光強度分布を作り出した．ここで用いたDMDは，最大90fpsのスピードを得ることができるために，将来的には高速なイメージングも視野に入れた装置の選定を行った．また，ランダムなパターンの生成は，制御用PCで行った．次に，投影部に関しては，顕微イメージングを行うためにリレーレンズと対物レンズを用いた縮小光学系を構築した．50倍の対物レンズで，DMDで生成したパターンをサンプル上に結像できる光学系とした．さらに，受光部の構築は2段階に分けて行った．まず，一般的な強度検出器であるフォトダイオードを用いて測定の基本アルゴリズムを確認した後に，光電子増倍管を用いて実際の光学系を構築した．フォトダイオードで検出した光強度は，A/D変換器を用いて演算用計算機に取り込んだ．最終的に得られた光強度は，制御用PCに取り込み相関演算を行った．制御用PCでは，相関演算に関する制御の他に，測定の精度検証など包括的な測定が行えるように汎用ソフトLabViewを用いた．
これまでの研究成果としては，基本性能を確認するだけにとどまっているが，その性能を確認する段階で特徴的な結果が得られた．特に，フォトダイオードを検出器として用いたときのS/N比に関して，従来のイメージング法との比較を正確に行ったところ，ノイズとシグナルの区別がほぼつかない超低S/N比の領域でもイメージングが可能であることが
分かった．これは，蛍光イメージングへの応用も視野に入れた展開が見込める
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の成果より，本研究の特徴が，超微弱光イメージングが予想以上に可能であることが分かった．超微弱光イメージングは，微小欠陥からの散乱光だけでなく，一分子イメージングなどが可能であり生物学的にも特に有用である．そこで，次年度以降は，さらに超微弱光イメージングを可能とするべく，光子の数に着目した検出システムを構築することを試みる予定である．そのために，光検出部の変更と，照明部から検出部に至るまでの光学系に若干の改良を加えること，さらには，あらたなアルゴリズムを導入する予定である．具体的な取り組みは次年度以降であり，今後新たな方式が生み出される可能性はあるが，現在のところの方針としては以下の通りである．
まず，測定アルゴリズムでは，照明を開始した時間から光子検出に至る時間を利用する予定である．これは，光子が到達する時間と光強度に相関があるため利用できるのではないかと考えた．そのために，検出光学系を改良しフォトンカウンティングができるシステムを組み込む予定である．そして，基本的な微弱光イメージング特性を，本年度構築したシステムと比較し優位性を確認する．その後，蛍光イメージングを行う予定である．蛍光イメージングで用いる測定試料は，蛍光標準試料の他に，一般的に生物学分野で用いられている蛍光色素などを用いる．なお，蛍光の検出では，波長選択制が重要となるため，光学系の途中にバンドパスフィルターを導入する予定である．
以上の通り研究を推進し，適宜，学会発表などのアウトリーチ活動も行う予定である．
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