集積化並列光デバイスを用いた高速・並列共焦点顕微鏡システム

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試料内の任意の断層像を取得できる共焦点レーザ顕微鏡は，生きた細胞・組織 の動態観察等を可能としたが，その時間分解能は一般には画像取得デバイス (CCD等)やガルバノミラー等の機構の速度に制限され，対象の移動速度等の形態 を計測したり，特定の対象を追跡するには，システムのさらなる高速化や自律 的動作が期待される．そこで，受光素子とプロセッサを一体化した光電子 融合型デバイス（スマートピクセル）等の集積化光デバイス技術を，共焦点顕 微鏡に応用することにより，顕微鏡像の処理速度を高め，空間内を高速に運動 する生体の組織等の観測・分析・制御を可能とする高速・並列共焦点顕微鏡シ ステムを提案し，基本的原理を確認した．

下図に示すように，2次元アレイ状の並列の光源として垂直共振器型面発光 レーザ(VCSEL)を用い，受光面に，画素毎に光検出器(PD)と演算回路を有する スマートピクセルを配置し，また，画素毎にピンホールをPD前面に設置する． スマートピクセルによる画素並列画像処理機能により，特定の対象の追跡等 を従来の撮像デバイスを用いた場合に比べて極めて高速に行える．

面発光レーザの応用により，ニポウディスクに代表されるマルチピンホール 型の並列化方式に比べ，光の利用効率が高まると共に，ピクセル毎に対象の 状態に則して適応的に照明条件を変化させることにより，ダイナミックレン ジを高めることができ，しかも，その制御がピクセル毎の演算機能を用いて 超高速に行うことができる．

実験では，波長850nm，ピッチ 250μm, アレイサイズ 8x8 の VCSEL アレイ， 受光素子として増幅回路(TZゲイン 150kΩ)と2値化回路を集積した 8x8 PDアレイ，プロセッシングエレメント(PE)として S3PEアーキテクチャを用い， ビデオレートを上回る周波数で動作する対象物の捕捉能力を示す結果を得た．

VCSEL をご提供頂いた NTTフォトニクス研究所，PDをご提供頂いた浜松ホトニクスに感謝致します．

Figure 1: Parallel Confocal Microscope System Using Integrated Optical Devices

Figure 2: Experimental System

参考文献

1. 成瀬 誠，石川 正俊：スマートピクセルを用いた高速・並列共焦点顕微鏡システム，第４７回応用物理学関係連合講演会(東京, 2000.3.29) [pdf file(49k)]
2. M. Naruse and M. Ishikawa: Parallel Confocal Laser Microscope System using Smart Pixel Arrays, The International Symposium on Optical Science and Technology, conference 4092: Novel Optical Systems Design and Optimization III(San Diego, August 1st, 2000)/ Proceedings of SPIE, Vol. 4092, pp. 94-101. [pdf file(128k)]

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