東北大学技術紹介

リアルタイム3D光イメージング
共焦点顕微鏡に劣らず高分解能な三次元像をビデオレートハイスピード表示
概要

各技術について、詳しくは次のページより先をご覧ください

基礎技術
T15-198

既存技術と本技術との性能の比較
3次元画像取得の速さ

遅い

侵入深さ

※

分
解能

OCT、3Dカメラ

超音
波

低い

非破壊三次元イメージング
描画
速さ

高い

本技術
X線CT

ただし、3次元画像を取得するためには、X線CTでは光源あるいは照射部の回転動作が必要であるために迅速な画像取得が難しく、超音波検査
では2次元アレイ素子による3次元計測を可能にする一方で高解像度化の課題が残されている。また共焦点レーザー走査型顕微鏡では観察面を移動しながら2次元画像の逐次取得を必須とするため、ビデオレートでの3次元観察は不可能である。

本発明群は、上記の課題を解決し、簡便な構造で、精密な三次元画像が取得でき、リアルタイムに観察が可能なイメージング手法を提供する。

速い

共焦点顕微鏡

産業用途の3次元イメージング手法には、その用途に応じて、X線CTや超音波検査、共焦点レーザー走査型顕微鏡等の手法が存在する。

近年は、パターン照明やライン照明などを原理とした３DカメラやOCT等の高速3次元測定技術も普及してきているが、３Dカメラでは測定対象の内部情報が取得できず分解能が高くない、OCTではカラー化が難しく蛍光信号の取得が不可能である、という課題がある。

汎用光源
T21-072

Z→X変換
T17-106

比較表

3Dカメラ

※

OCT

※

本技術

X線CT

◎速い

△

△

○
数十fps

○
数十fps

数μm

10cm

数cm

×
侵入しない数mm

◎
数百nm

△数cm

△数mm

△
数mm

○
数μm60fps

超音波

※

応用例

分解能

 極めて微小な欠陥を高速検出する非破壊検査装置

色分け

○×

○

○×

被曝

しない

する

しない

しない

しない

 生体試料の観察 高速変化する微細三次元構造の観測、三次元高速流体解析 等
知的財産データ
知財関連番号： 特許6537153、特許10816474、特願112017002847.7、
特開2019-117233、PCT/JP2021/031166
整理番号： T15-198、T17-106、T21-072※参考程度

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光学情報検知装置及び顕微鏡システム
深さ方向の光学情報をより高速に取得し、リアルタイムな三次元光イメージングが可能！
概要
走査型レーザー顕微鏡は集光したレーザー光を試料上で走査し、試料からの反射・散乱光や蛍光を計測することで試料の微細構造や蛍光プローブの局在を可視化する。従来の走査型レーザー顕微鏡は、顕微鏡の光軸に直交する面（観察面）の２D画像の高速取得が可能な一方、三次元観察のためには観察面を光軸方向に機械的に移動しながら逐次画像取得を行う必要があり、リアルタイムでの三次元画像の取得が困難であった。
本発明では、検出信号に対する波面制御を原理として、観察試料の光軸方向に沿った空間情報を受光面での空間的な位置情報として検知することを可能にした。本発明によって、光学系や検知対象物を光軸方向への移動無しに、レーザー集光スポットの二次元走査のみで対象の深さ情報を一挙に取得する、高速な、リアルタイム三次元イメージングを可能にする。

応用例[1] Y. Kozawa and S. Sato, Sci Rep 9, 11687 (2019)https://doi.org/10.1038/s41598-019-48265-3[2] 参考動画リンク 2020年7月16日新技術説明会 発表動画
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発明者
整理番号 光によるリアルタイム三次元イメージングが可能

関連文献

 三次元画像の高速取得が求められる分野
 生命機能解析等の生物分野・生体分野や医療分野
 微細な機能性素材の開発が進められている
金属、化学等の産業分野

知財関連番号

 検知対象物の深さ方向の光学情報を高速に取得： 特許6537153（日本）、特許10816474（米国）、
特願112017002847.7（ドイツ）： 小澤 祐市： T15-198

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ホログラム光学素子による線形z-x変換

ホログラム光学素子とその製造方法
深さ方向の情報を、線形に平面方向の情報に変換！
概要

本発明では、簡素な構成で精度よくZ情報とXY情報とを相互に変換することの可能な、新規かつ改良されたホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法、及び光学装置を提供する。本発明を用いることで、光学検知系における物体の深さ方向の情報を検出面での平面方向の情報に変換する高速な3次元イメージング（特許6537153）に対して高精度化・高空間分解能化が実現できる。

発光点の線形シフト特性

物体面深さ方向

三次元イメージングでは観察対象の結像距離変位となるZ情報をいかに効果的に像面での光軸からの距離変位となるXY情報に符号化するかが重要となる。一方で、単一検出器のみを用いた一画素イメージングでは、対象のXY情報を一画素撮影における時間情報にいかに効率的に符号化するかが重要となる。しかし、従来の符号化法では距離分解能、撮像距離範囲、Z情報復号精度、復号化での解一意性が課題となっていた。

ビデオレート3次元撮像

20 mm• 物体の深さ位置に応じて検出面での像位置が平面方向に線形にシフト• 深さ方向のキャリブレーションが不要

検出面平面方向応用例

関連文献

 光学顕微鏡等の光学分野[1] T. Nakamura et al., Opt. Lett. 43, 5949 (2018).
[2] Y. Kozawa et al., Biomed. Opt. Express 13, 1702 (2022)[3] プレスリリース（東北大学、2022年2月28日）

 3次元空間における深さ方向に対する高速センシング

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知財関連番号
発明者
整理番号： 特許第7021772： 中村友哉、五十嵐俊亮、小澤祐市： T17-106

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本発
明

スポット光生成装置、光学情報検知装置及び顕微鏡

1光子励起のままでサイドローブを抑制し、高速度・高分解能３Dイメージング可能

2光子励起が不要になった高速３Dイメージング
概要
非回折性のニードル状レーザースポット光を走査することによる3次元高速イメージングでは、高いXYZ分解能が得られる反面、用いるベッセルビームの特性により、照射ビームの周囲に生ずるサイドローブによるアーティファクトが発生することが知られている。
従来の方法では、サイドローブによる結像特性の劣化を抑制する必要性から、近赤外域の超短パルスレーザー光を励起光源とした多光子励起蛍光イメージング系が必須であり、非常に高価な装置となってしまう課題があり、また観察対象が多光子励起による蛍光イメージングに限定されていた。

特徴
 装置の低コスト化が可能
 容易に実装可能

 量産に適しています

出願未公開のため秘密保持条項を含む

本発明は、2光子励起が不要で、市販の可視光連続波レーザー光を用いた条件においても、サイドローブを抑制可能となる簡便な構成のレーザースポット光生成技術を提供するものである。この発明により、蛍光信号に加えて、反射光や散乱光を信号光とした表面検査や形状計測に対しても高速な3次元イメージング法の適用が可能となる。

有償契約締結後に、情報開示可能です。

応用例

関連文献 微細な3次元欠陥等を発見・除去するための非破壊検査[1] 2021年第82回 応用物理学会 秋季学術講演会 発表資料

 表面形状計測[2] 特許6537153 → T15-198

 バイオイメージング
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知財関連番号
発明者
整理番号： PCT/JP2021/031166： 小澤 祐市： T21-072

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