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

研究内容

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 8x8PD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)
2. Makoto Naruse and Masatoshi 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, 2000.8.1)/Proceedings of SPIE, Vol.4092, pp.94-101