工繊大,高速度3次元動画顕微鏡のモジュール開発

京都工芸繊維大学,神戸大学,産業技術総合研究所は,微小領域をダイナミックに動く生物試料に適した高速度3次元動画像顕微鏡のモジュールを開発した(ニューリリース)。

微小領域をダイナミックに動く試料の3次元の位置や形状の計測ができる顕微鏡として,京都工芸繊維大学は,並列位相シフトディジタルホログラフィを応用した並列位相シフトディジタルホログラフィック顕微鏡をこれまでに開発している。

しかし,従来の並列位相シフトディジタルホログラフィック顕微鏡は,光学定盤上に直接固定されていたため,場所を大きく占有し,また持ち運びも困難であった。

研究では,この並列位相シフトディジタルホログラフィを用いた顕微鏡を開発した。顕微鏡を構成する光学素子は光学ブレッドボード上に集積され,顕微鏡は一つのモジュールとして構築されている。

開発した顕微鏡の特長は二つ。一つは,試料の振幅・位相情報が得られること。振幅情報とは試料の明暗を表し,位相情報は試料の厚さ情報を表す。一般的な光学顕微鏡は試料の振幅情報しか得られない。

もう一つの特長は,コンピューターを用いた像再生によるリフォーカシングが可能なこと。光がやってきた方向と逆の方向に伝搬する過程を,コンピュータ処理によるリフォーカシングによって計算し,ワンショットで記録した1枚のホログラムから任意の奥行き位置に焦点が合った像の再生ができる。

これらの特長から,この顕微鏡は,微小領域をダイナミックに移動する試料の三次元動画像計測を可能にするという。開発した顕微鏡が微小領域をダイナミックに動く生物試料の三次元動画像計測に対して有用であることを示すために,水中の異なる奥行き位置を移動する複数のボルボックスという微生物を試料として記録・再生し,三次元追跡をした。

約1.5mm四方の撮影範囲を毎秒1000コマの速さで記録し,各コマで試料の振幅画像と位相画像を再生し,コンピューター処理によるリフォーカシングによって,各コマでの異なる奥行き位置に焦点が合った像を再生できた。さらに,得られた再生像に画像処理を適用し,各コマで各ボルボックスの中心座標を特定することでボルボックスの動きを表す三次元的な軌跡の取得に成功した。

研究グループは,今後の展開として,生きた細胞や微生物に光や電気あるいは薬品で刺激を与えた際の微生物の3次元な反応や動態の新たな解明などへの貢献が期待されるとしている。

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