自然な光を用いる瞬間カラー多重ホログラフィーと蛍光顕微鏡応用

1. はじめに

画像情報を鮮明に記録・計測・保存したいと思うのは,人間の自然な欲求である。そして,ありのままの情報を得るために,2次元よりも3次元の画像を記録・観察したいという欲求に駆られて研究開発が今日まで続いている。ディジタルホログラフィー1)は光波の振幅,位相,周波数,振動方向など多様な物理情報を定量的に記録可能な技術であり,多数の物体を同時に測定する3次元動画顕微鏡,粒子・流体計測,定量位相動画顕微鏡,屈折率トモグラフィー,高速度カラー3次元カメラシステム,3次元物体のフルストークスパラメーターイメージングなどへの応用が提案されている。

しかしながら,光の干渉を用いて記録される干渉縞画像(ホログラム)から光波の情報を得るため,通常,レーザーなど干渉性の良い光源を必要としていた。一方で,太陽光がシャボン玉を介して干渉模様を形成するように,2光波の光路を波長レベルで調整することで,自然な光のホログラムを得ることは可能である。

そして,自己干渉計を用いることで光路調整が容易になる。自己干渉計を用いて自然な光のホログラムを得るインコヒーレントホログラフィー2,3)は,電子機器の性能向上や各種信号処理の適用に伴い鮮明な像を得られる技術になり,インコヒーレントディジタルホログラフィー4,5)として提案された。そして,機械走査が不要な3次元蛍光顕微鏡へ応用できることを示した論文は6),世界的に広く研究されるきっかけを生み,今日に至っている。

研究の進展に伴い,1回の露光で3次元情報を取得できるようになり7,8),ホログラフィーの位相変調を利用した多重記録の性質から少数の多重ホログラムを用いた波長情報の多重記録も実現された9)

本稿では,インコヒーレントディジタルホログラフィーに基づき実現された,自然な光を用いる瞬間カラー多重ホログラフィー10)と,蛍光顕微鏡への応用に関し述べる。

2. 自然な光を用いる瞬間カラー多重ディジタルホログラフィー10)

図1 自然な光を用いる瞬間カラー多重ディジタルホログラフィーの概略。
図1 自然な光を用いる瞬間カラー多重ディジタルホログラフィーの概略。

図1(a)に,提案するディジタルホログラフィー法の概略を示す。提案法は,フレネルインコヒーレント相関ホログラフィー(Fresnel incoherent correlation holography:FINCH)5)などのインコヒーレントディジタルホログラフィーと単一露光位相シフト法11~13)を融合させた光学システム7,8)と,計算コヒーレント多重方式と呼ばれる位相シフト干渉法を用いて波長情報を取得する方法14~17)の組み合わせからなる。

FINCHでは,自然な光を光源に用い,偏光と2重焦点レンズを用いてホログラム形成に必要な2光波を生成し,複屈折位相変調器と単一光路の自己干渉計を介してホログラムを得る。一般的には,液晶型空間光位相変調器を用いて位相シフト法に必要なホログラムを得る。二光束干渉計ではないことに起因し,干渉計でありながら高い耐振動性を誇る。単一露光位相シフト法では,位相シフト法に必要な複数種類のホログラムが,空間方向に展開されることにより,1回の露光で同時に記録される。

例えば,カラーイメージセンサの画素ごとにRGBのいずれかの波長の光を検出するように,イメージセンサの画素ごとに異なる位相シフト量のホログラムを得る。空間方向に複数の位相シフト量を生成するために,空間的に位相を変調する素子が用いられる。空間位相変調素子を,後述する計算コヒーレント多重方式に適合するように設計することにより,透明な空間位相変調素子を用いるインコヒーレントディジタルホログラフィーシステムを介して,1回の露光で自然な光のカラー多重ホログラムを得る。

図1(b)に,計算コヒーレント多重方式の概略を示す。計算コヒーレント多重方式は,ホログラフィーを利用し多様な物理情報を同一空間に重ねて記録する方法の一つであり,多次元情報を多重記録する位相シフト法とみることができる。具体的には,波長ごとに異なる位相変調量を与えながら,波長情報が多重化されたホログラムを記録すると,位相シフト干渉法の信号処理により所望の波長における光波のみが波長多重ホログラムから得られる。この性質を利用して,位相シフト法を用いて物体の波長情報と3次元情報を取得できる。この方法を用いることでカラーフィルターアレイ無く波長の情報を取得できるため,光利用効率の向上が期待できる。計算手続きにおいては参考文献17)を参照されたい。

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