光源制御型 1 ms 三次元フィードバック顕微鏡

 

 

 生物学等では,微小空間の3次元計測が要求される.特に計測対象が運動している場合には高速な計測が求められる.ゆえに,顕微鏡下対象の3次元情報を高速に計測することが重要である.

 高速に3次元情報を測定する方法の1つとして,顕微鏡のフォーカス位置を光軸方向に走査しながら画像を計測する手法がある.この手法は比較的少ない計算量で3次元情報の再構成が可能であり,特にフィードバックが要求される際の高速計測に適している.しかしながら,既存のZスキャナの駆動周波数では求められる高速計測には不十分であった.この問題に対して,近年,Tunable Acoustic Gradient index (TAG) レンズと呼ばれる高速に焦点を変えることができる機器が登場した.

 TAGレンズは,液体レンズの一種であり,50k~500kHzオーダーで屈折率を変化させることで高速に焦点を変えることができる.高速に焦点位置を変動させながら複数の画像を取得できることから,原理的にはTAGレンズを用いることによって高速な3次元計測が実現できる.しかしながら,TAGレンズの焦点変動周波数は非常に高速なため,特定の焦点距離における画像を撮像するためには非常に短い露光時間(0.1~1 us)が要求される.このような短い露光時間を実現するイメージセンサは限定される上,そのような短い露光時間では取得される画像が非常に暗くなってしまい実用的ではない.

​ この問題に対して,カラーストロボ照明をTAGレンズの焦点変動周波数に同期駆動させることで,特定の焦点面をカラー画像の色情報として取得する手法が提案された.本研究室では,この手法の原理を利用して,複数の焦点面を取得し,取得した画像から3次元情報を算出・フィードバックを高速に行う顕微鏡システムの開発に取り組んでいる.

 

 

​図1 光源制御型1 ms 三次元フィードバック顕微鏡の概念図

​(a) 計測画像

​(b) R成分

​(c) G成分

​(d) B成分

​図2 計測画像と各成分画像 

参考文献

  •  千葉拓亨,山下駿彦,山登一輝,奥寛雅 : 光源制御型 1 ms 三次元フィードバック顕微鏡によるフォーカストラッキング, 日本機械学会ロボティクス・メカトロニクス講演会 2018 (Robomech 2018)/(to be presented).

  • Kazuki Yamato, Hiroyuki Chiba, Toshihiko Yamashita, Hiromasa Oku : 1 ms 3D Feedback Microscope with 69 kHz Synchronous Modulation of Focal Position and Illumination, IEEE Robotics and Automation Letters, Vol.3, Issue 3, pp.1978-1984 (2018) [doi:10.1109/LRA.2018.2792151]

  • 千葉拓亨,山下駿彦,山登一輝,奥寛雅 : 焦点位置と照明の 70kHz 同期変調による光源制御型高速ボリュームフィードバック顕微鏡の基礎検討,第35回日本ロボット学会学術講演会(RSJ2017) (東洋大学川越キャンパス, 埼玉, 2017.9.14)/予稿集,3C2-02