補償光学系と光学装置 :観測対象、揺らぎ、撮像系が相互に近接する場合の安定性の向上
自然科学研究機構 国立天文台
先端技術センター
特任助教 服部雅之
2022年 1月 13日
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概要• 補償光学系: 光学的なボケの補正– 入射光波面の揺らぎ補正で像を改善• 本発明は、補償光学系の精度と安定性を向上する。
• 着眼点は、– 被写体が無限遠にない場合– 揺らぎが被写体に近接する場合– それら位置関係が変化する場合• 従来まで– 天文では、無限遠や遠方など– 他の応用でもそれに準じた設計

https://subarutelesc
ope.org/old/Pressrel
ease/2006/11/20/j_i
ndex.html
https://subarutelesc
ope.org/old/Pressrel
ease/2002/01/16/j_i
ndex.html
https://subarutelesc
ope.org/jp/gallery/p
ressrelease/2011/07/06/195.html

各図は国立天文台
ウェブサイトより(上図)すばる望遠鏡での観測(下図各左)大気揺らぎでボケた像(下図各右)補償光学による補正像2

補償光学について• 天文学で提案と実用化

各図は国立天文台ウェブ
サイトより– 地上からの天体観測– 主に大気の揺らぎを補正する• 画像処理と比較して、以下が可能

https://subarutelescope.org/old/Pressr
elease/2002/01/16/j_index.html

観測(上左図) 補償光学の図解(下図) 補償光学による二重星像の分解(上図右) 分光グラフ

補償光学– 光学分析(分光など)– 光の射出(レーザーなど)
分光分析
3補償光学: 近年の動向• 高精度化• 応用の増加– 眼底カメラ、生物観察用顕微鏡、通信など

各図は国立天文台
ウェブサイトよりhttps://subarutelescope.org/jp/about/instrument/ultimate_subaru/index.html
https://subarutelescope.org/old/P
ressrelease/2006/11/20/j_index.html(上左図) 次世代補償光学系(上右図) 可変形鏡
(上図右) 波面センサー• 要素デバイスの量産・市販– 可変形状鏡、位相変調器– 波面センサー• 高精度で安定なシステム設計が望まれる4

補償光学: 精度と安定性• 安定性と精度• 問題と糸口- 補償光学をかけても「像が良くない」
とき- 制御を強くしても、像が悪化し制御が不安定化

図は国立天文台ウェブサ
イトより
https://subarutelescope.org/old/Pressr
elease/2002/01/16/j_index.html

5補償光学: 精度と安定性• 精度と安定性の根底に測定・補正誤差– 波面測定自体の誤差は補正を乱し像が劣化– > 光学的な誤差(遠方/近接)は、光の回折・干渉の影響で複雑に図は国立天文台ウェブサ
イトより
https://subarutelescope.org/old/Pressr
elease/2002/01/16/j_index.html• 光学設計の改良– 顕微鏡応用から補償光学の動作安定性を確認
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補償光学: 従来技術の問題点• 地上天体望遠鏡– 被写体: ほぼ、「無限遠に被写体」– 揺らぎ: 主に、「被写体より近い遠方」

図は国立天文台ウェブサ
イトより
https://subarutelescope.org/old/Pressr
elease/2002/01/16/j_index.html• 動作が安定しやすい– 系のスケールが大きく、光の回折・干渉・散乱の影響(シンチレーション)は比較的小7補償光学: 従来技術の問題点• 「有限距離の焦点と揺らぎ」– 対象のスケールが小さい– 光の回折・干渉、さらに、散乱性が強まる。(シンチレーション)、特に、顕微鏡
生細胞組織試料

被写体
眼球

眼底カメラ

補償光学系

眼底カメラ(cmサイズ)「揺らぎが被写体に近接」-> 通常の撮像系(mサイズ)

顕微鏡

補償光学系

対物レンズ

生物用顕微鏡「被写体も揺らぎも非常に近接」 μmサイズ
8新技術の特徴• 被写体や揺らぎまでの距離の調整に対応した光学系(従来)– 有限の距離にも対応– 距離変化にもズームレンズのような自在性• 有限距離の被写体と揺らぎに対する性能が大幅に向上– 実験的に確認– 右図はタマネギ試料の細胞核(特許)

図は、服部ら、
PCT/JP2014/074837 Fig.41 より9想定される用途• 顕微鏡 : (試作機で確認している)– > 走査式顕微鏡との組み合わせも期待• 補償光学の既存の用途への展開も期待– > 眼底カメラ等• 新たな応用への期待– 入射光と出射光の補正の効果が期待できる。
– > レーザー装置、計測装置等– 像装置、望遠カメラ、望遠鏡 (天体以外)
10実用化に向けた取り組み• 試作機による検討– > 汎用の実験ベンチ• 顕微鏡構成– 特許明細書(図1)、高精度と安定性を確認– 顕微鏡対物レンズを種々の光学系と交換可– 波面センサーの交換も可能

図はOPIC/BISC
2016, BISC4-2
Fig.1 より像カメラ交換可• 試作機の拡張性

11文献など••••••(生物観察応用) Y. Tamada and M. Hattori, “Adaptive optics microscopy for fine imaging of liveplant cells”, SPIE Newsroom. DOI: 10.1117/2.1201602.006335 (2016).
(動作実験) M. Hattori, et.al, “Artificial testing targets with controllable blur for adaptive optics
microscopes” Optical Engineering, 56: 080502 (2017)(光学系構成) M. Hattori, "A Test Bench of General Purpose Adaptive Optics and its Application
to Microscopy”, Biomedical Imaging and Sensing Conference (BISC/OPIC), Yokohama (2016)(レーザー入射) 玉田洋介, "葉緑体レーザーガイド星を用いた補償光学ライブイメージング“, 光学,日本光学会, 384. 第44巻 第10号（2015年10月）(新方式波面センサーの実験) 玉田 洋介，三浦 則明，初見 洲人，服部 雅之, "画像相関型補償光学
によるユニバーサル生体深部高解像イメージングへの挑戦", 月刊OPTRONICS, 2021年12月号(新方式波面センサーの実験) Y.Ashida, Y.Honma, N.Miura, T.Shibuya, H.Kikuchi, Y.Tamada,Y.Kamei ,A.Matsuda, M. Hattori,"Imaging performance of microscopy adaptive-optics systemusing scene-based wavefront sensing", Journal of Biomedical Optics 25(12), (2020)12

企業の皆様への期待• 取得済み特許のライセンスの可能性• 光学機器の技術を持つ企業との共同研究の可能性– 顕微鏡、望遠鏡、眼底カメラ、レーザー装置、等– 既存の補償光学装置の拡張、新規開発• 試作機を用いた有効性の検討の可能性– 既存・新規の補償光学応用について、実験的な評価・検討
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本技術に関する知的財産権••••

発明の名称： 補償光学系及び光学装置
出願番号 ： JP2013195943A，PCT/JP2014/074837
出願人： 自然科学研究機構
発明者： 服部雅之、玉田洋介、村田隆、亀井保博、長谷部光泰、早野裕、大屋真14

お問い合わせ先
自然科学研究機構事務局企画連携課
ＴＥＬ ０３－５４２５－１３１６
ＦＡＸ ０３－５４２５－２０４９
e-mail nins-sangaku＠nins.jp

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