2022年12月21-23日 京都大学
第11回 可視赤外線観測装置技術ワークショップ 2022

超高速撮影や超広視野観察を支える新原理と光学技術
中川 桂一
東京大学 大学院工学系研究科
精密工学科，バイオエンジニアリング専攻

超高速撮影や超広視野観察を支える
新原理と光学技術✓ 空間分解能✓ 時間分解能✓ 視野自己紹介
中川桂一
2014年 博士（工学）佐伯くん（D2）
超高速撮影法STAMPのためのスライスミラーの超精密モノリシック加工

光と音を用いたバイオ・医療技術開発
Cindyさん（M2）
Optical configuration of sequentiallytimed all-optical mapping photography
with a slicing mirror

松下さん（M2）
広視野イメージングのためのレンズアレイ
光学系と深層学習を用いた再構成手法の開発

超高速撮影や超広視野観察を支える新原理と光学技術

4

音響医療
1950年代
集束超音波による脳腫瘍アブレーション

1980年代後半
キャビテーションによる細胞への薬剤・遺伝子導入

Science (1955)

PNAS (1987)

1980年代前半
集束衝撃波による結石破砕

Lancet (1980)

最近
超音波によるNeuromodulation

2000年代
低出力音響波による骨成長・血管新生

J. Trauma (2001)

Circulation (2004)「焼く・壊す」という単純な作用から、「再生・活性化」という高次な作用へ

Nat. Rev. Neurol. (2010)

5

音と細胞／生体のインタラクション
物理作用

細胞応答

治療効果

• 音響波伝播• 付随して生じる物理作用• カルシウムイオン濃度変化• 細胞形態変化• 血管新生• 骨成長 など

音響波

細胞

1 ps

1 ns

T. Nishida, Circulation (2004)

1 µs

1 ms

1s

1 min

1h

1 day

6Time (s)

高速度撮影の歴史

10-15

フェムト秒

10-12ピコ秒

10-9ナノ秒
Rotating-mirror camera

10-6

マイクロ秒

10-3ミリ秒
Stop-motion photography
Film photography

11840

1860

1880

1900

1920

1940

THE HORSE IN MOTION. Eadweard Muybridge (1878)
1960

1980

2000

2020

Year

7

機械式ビデオカメラ～高速度イメージングの黎明期～

キネトグラフィックカメラ（1897年）

10-15

Time (s)10-12質量があること
による制限

10-9

トーマス・エジソン

Rotating-mirror camera
Rotating-mirror camera

10-6

Rotating-prism camera
10-3
Movie camera
Stop-motion photography
Film photography

11840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

Year

http://watersky.jp/memo/wiki.cgi

8

電気式ビデオカメラ～フィルムからイメージセンサへ～

10-15Time (s)10-12Compressive multi-aperture
CMOS image sensor
Framing
Rotating-mirror camera
cameraISIS camera
Rotating-mirror camera
STEAM
ISIS camera
Rotating-prism camera

10-9

10-6

10-3

CCD CMOS camera
cameraMovie camera
Stop-motion photography
Film photography

11840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

1980

2000

2020

Year

9

電気式ビデオカメラ

10-15

電荷の移動による制限

Time (s)10-12Compressive multi-aperture
CMOS image sensor
Framing
Rotating-mirror camera
cameraISIS camera
Rotating-mirror camera
STEAM
ISIS camera
Rotating-prism camera

10-9

10-6

10-3

CCD CMOS camera
cameraMovie camera
Stop-motion photography
Film photography

1
1840

1860

1880

1900

1920

1940

1960

198020002020

Year

10

限界はどこか？
空間1m

1 mm

1 m

1 nm

~100 µm

物理限界~100 nm

時間

1s

1 ms

1 s

1 ns

1 ps

1 fs~10 ms
~1 ns

技術限界
機械的・電気的動作の制限

11

超短光パルス

532 nmContinuous wave

532 nm
Optical pulse

Gating timet (s)Pulse duration
300 ×106×t (m)1s= 300 × 106 m

1 ns (10-9 s)= 300 mm

532 nmpulse
1 fs (10-15 s)Ultrashort= 300nm

300 nmhttps://www.s.u-tokyo.ac.jpjapress200617.html

12

時間分解ポンプ・プローブ法
繰り返し撮影により，パラパラ漫画を1ページずつ作る

J. S. Baskin, A. H. Zewail, J. Chem. Ed. (2001)

撮影の原理的に再現性のある観察系が必要

Sequentially Timed All-opticalMapping Photography(STAMP)

14

Spatiotemporal mapping photography

あるパラメータ 𝝌 を用い
時間領域 𝑻 で圧縮された情報を空間領域 𝑺 へ展開し検出する

15

Sequentially Timed All-optical Mapping Photography

異なる波長の光を異なる時間にあてるt1

異なる波長の光を異なる空間で検出する

t1

t2

s1

t2

t3

s2

s3t3

16

STAMPの基本的な構成

17

動画

18

Features and limitations✓ High temporal resolution: STAMP achieves femtosecond resolution in videography✓ Single-shot capability: multiple frames can be obtained in a single shot
✓ Combination use with conventional imaging techniques and instruments

𝑨 𝑡 ∙ 𝑒 (𝑖𝝎𝑡+𝑖𝝋)••••

Amplitude ➢ Detection with imager
Wavelength ➢ STAMP
Phase➢ Phase imaging,Polarization
Polarization imaging, etc.

◼ Requirements for the sample••

Basically, STAMP cannot capture luminous objects
The object should not have any strong dependence on wavelength◼ Trade-off between the exposure time and number of frames

19

原理実証システム@2014
Ti:S レーザ• パルス幅：70 fs• 中心波長：810 nm• CPA（Rep. rate: 1 kHz）の後，光学チョッパー，及びメカニカルシャッターにてシングルパルス化

パルスストレッチャー

波形整形器
Lens

Grating pair~ ps

SLM

𝜆/2
Diffraction
grating

Glass rods

~ fs

ペリスコープアレイによるスペクトラルイメージング

Lens

CylindricalmirrorPeriscopearray𝜆/2

Mirrors
PBS

Diffraction
grating

Diffraction
grating

PBS
Mirrors

20

波形整形器（既存技術）

21

4f光学系に基づくスペクトラルイメージング

シングルショットのスペクトラルイメージング→特殊な光学要素が必要

22

原理実証システム@2014
冷却CCDカメラ

Ti:S レーザ• 解像度：2048×2048• 量子効率：93% @810 nm• パルス幅：70 fs• 中心波長：810 nm• CPA（Rep. rate: 1 kHz）の後，光学チョッパー，及びメカニカルシャッターにてシングルパルス化

パルスストレッチャー

814-817 nm

811-814 nm

波形整形器

808-811 nmLens 805-808
nm
Diffraction
LensGrating pair

~ ps

50 µm
Glass rods

SLM

𝜆/2
Diffraction
grating~ fs

ペリスコープアレイによるスペクトラルイメージング
grating

Cylindricalmirrorarray

𝜆/2

Mirrors
PBS

802-805Periscope
nm 799-802 nm

Diffraction
grating

PBS
Mirrors

23

撮影例１：レーザアブレーション
眼，歯，がんの高精度な治療
レーザ

http://www.allaboutvision.com

http://www.bbc.com/news/health-27595573

ナノ秒レーザでの加工（ナノ：10-9）
B. N. Chickov et. al., Appl. Phys. A (1996).

© Medtronic

フェムト秒レーザでの加工（フェムト：10-15）

24

撮影例１：レーザアブレーション
平均フレーム間隔：15.3 ps (65.4 Gfps に相当)
0 ps

15.5 ps31.0 ps

AirGlass20 µm

AirGlass

46.5 ps

61.5 ps

76.5 ps

25

撮影例２：音（熱）と光の振動
原子（格子）音（熱）と光の性質をもつ振動
光速の約６分の１の伝播速度
結晶

強いレーザを使って結晶中に振動を発生！
STAMP
照明光現象を引き起こす
パルスレーザ26

撮影例２：フォノン・ポラリトン
画像から伝播速度4.6×107 m/sを算出
2167 fs

2357 fs

2517 fs

2782 fs3052 fs

3297 fs

100 µm0 fs 100 µm 780 fs

0 fs 100 µm 190 fs

1590 fs

350 fs2400 fs

615 fs3255 fs

885 fs4035 fs

1130 fs

フォノンパルス形成という複雑ダイナミクスを捉えた28

スペクトラルイメージング
Spectral imaging
with periscope array
CylindricalmirrorPeriscopearray

STAMP utilizingspectral filtering(SF-STAMP)
T. Suzuki et al., Opt. Express (2015)
T. Suzuki et al., Appl. Phys. Exp. (2017)

Diffraction
grating
Mirrors

STAMP withspectrum slicer
M. Tamamitsu et al., Opt. Eng. (2015)
T. Saiki et al., Opt. Express (2020)

天文学とのコラボレーション

超高速撮影や超広視野観察を支える新原理と光学技術

30

脳科学研究
U. S.

BRAIN Initiative
2014-2025, $430 million
2017-2026, $1.5 billion

EuropeHuman Brain Project
2013-2023, $1.1 billion

Japan

Brain/MINDS
2014-2023, $300 million

31

透明化脳

T. C. Murakami et al.,Nat. Neurosci. (2018)32

顕微鏡システムの巨大化

視野：10 x 12 mm2
空間分解能：1.2 μm

J. Fan et al., “Video-rate imaging of biological dynamics at centimetre
scale and micrometre resolution” Nature Photonics (2019).

顕微鏡のアレイ化

視野：80 x 120 mm2
空間分解能：3-10 μm
W.D.: 150 mm

Y. Xue et al., “Single-shot 3D wide-field fluorescence imaging
with a Computational Miniature Mesoscope” Biophotonics
Congress: Optics in the Life Sciences Congress 2019.

34

大きな観察対象の顕微観察✓ 空間分解能（XY方向）✓ 空間分解能（Z方向）✓ 微弱光計測✓ 広視野✓ 大きなW.D.

36

レンズアレイ系を用いた広視野観察

観察対象

計測画像

再構成画像

37

「超高速撮影や超広視野観察を支える新原理と光学技術」

超高速撮影

超高視野観察

新原理×特殊な光学系・光学素子

新原理×コンピュテーショナルイメージング

超解像顕微鏡
新原理×特殊な照明／蛍光分子38

まとめ• 顕微観察における時間分解能と視野を向上させる手法について：– Sequentially timed all-optical mapping photographyとよぶ超高速撮影技
術により，撮影の時間分解能を技術限界から物理限界まで引き上げた– レンズアレイ系とコンピュテーショナルイメージングを組み合わせた，広視野観察手法について提案した• 顕微観察におけるスペックを向上させるために，原理とそれを支える（広い意味での）光学技術が必要• ただし，顕微観察システムは肥大化傾向．ハードウェアとソフトウェアの双方を駆使した新しい手法が求められている