5次元動画像ホログラフィック顕微鏡の開発とその応用に関する研究

五维视频全息显微镜的研制及其应用研究

• 批准号: 11J09834
• 负责人: 田原 樹
• 金额: $ 0.9万
• 依托单位: Kyoto Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2011
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2011 至 2012
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-11J09834/
• 关键词: ホログラフィ; ディジタルホログラフィ; ホログラフィック顕微鏡; 偏光イメージング; カラーイメージング; ディジタル画像処理; 位相イメージング; 3次元動画像顕微鏡; 干渉計測; 3次元顕微鏡

瞬時5次元イメージング方法の理論的性能検証を計算機シミュレーションにより行った。結果,光学系と撮影範囲を適切に設計することで,回折限界程度までの分解能をもって単一露光でマルチパラメータ同時可視化を達成可能であることを定量的に明らかにした。次に,精密偏光光学素子なしで3次元構造と複数波長情報を同時記録する新たな計測方式を考案し,最高時速26kmで振動する3次元物体に対し毎秒2万コマでのカラー3次元動画像記録を達成した。これはカラー3次元動画像記録において世界最高速であった。また,3次元構造と偏光分布の単一露光同時記録を実証し,市販の偏光イメージングカメラと同程度の偏光分布可視化能力で3次元空間の動画像記録も達成可能であると実験的に示した。以上より,要素技術全てを実証した。5次元動画像記録法のさらなる性能向上をめざし,まず深さ方向の計測範囲拡大,計測精度向上を達成するための計測方式を考案した。実験した結果,約100倍の深さ方向計測精度向上,測定範囲約9000倍を実証した。次に,市販の撮像素子で記録可能な3次元空間範囲を広げ空間分解能も向上させる縞超解像法の研究に着手した。一方,従来,計測範囲,分解能を上げるためには専用の撮像素子を必要とし,市販の撮像素子では縞分解能に劣るため技術の性能を最大限に発揮できないという問題を抱えていた。そこで,光学系の配置を工夫し線形の空間キャリアを並列位相シフト法に導入することで,技術に必要とされるホログラムを記録可能にする方法を考案した。また,市販の撮像素子で記録したホログラムに空間,空間周波数領域それぞれに画像処理を施し技術で記録可能な空間情報量を最大限まで取れるアルゴリズムを考案した。結果,面内方向の撮影範囲を従来の5倍程度まで広域化可能にし,空間分解能を2倍強まで向上可能にした。以上,研究課題の技術を実現可能にした。

通过计算机模拟进行了瞬时5维成像方法的理论性能验证。结果，可以从数量上清楚地表明，通过适当设计光学系统和成像范围，可以同时实现多个参数，并单次接触并分辨率达到衍射极限。接下来，设计了一种新的测量方法，可以同时记录3D结构和多个波长信息，而无需精确极化光学元素，以每秒20,000帧的颜色记录以每秒20,000帧的速度实现3D对象，该对象以26 km/h的最大速度振动。这是世界上最快的3D视频录制。我们还展示了三维结构和极化分布的单一暴露记录，并在实验上证明，可以使用与商业极化成像摄像头相同的极化分布可视化能力来实现三维空间中的视频记录。从以上，已经证明了所有基本技术。为了进一步提高5维视频记录方法的性能，我们首先设计了一种测量方法，以增加测量范围的增加，并提高了深度方向的测量精度。实验表明，深度方向上的测量精度高约100倍，测量范围约为9,000倍。接下来，我们开始研究一种边缘超分辨率方法，该方法扩大了可以使用市售图像传感器记录的3D空间范围，并改善了空间分辨率。另一方面，通常需要特殊的成像设备来增加测量范围和分辨率，并且商业上可用的成像设备已经遭受了无法最大程度地提高技术性能的问题，因为它们具有劣等的边缘分辨率。因此，我们设计了一种通过设计光学系统的布置并将线性空间载体引入并行相移方法来记录技术所需的全息图的方法。此外，设计了一种算法，该算法允许在空间和空间频域中成像具有市售图像传感器记录的全息图，并允许使用技术记录的最大空间信息量。结果，平面射击范围可以扩大到以前型号的五倍，空间分辨率可以提高到两次以上。这使得实现研究主题的技术成为可能。

项目成果

High-Speed Three-Dimensional Microscope for Dynamically Moving Biological Objects Based on Parallel Phase-Shifting Digital Holographic Microscopy

• DOI: 10.1109/jstqe.2011.2178062
• 发表时间: 2012-07
• 期刊: IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics
• 影响因子: 4.9
• 作者: T. Tahara;R. Yonesaka;S. Yamamoto;T. Kakue;P. Xia;Y. Awatsuji;K. Nishio;S. Ura;T. Kubota;O. Matoba

シングルショット位相シフトディジタルホログラフィに基づくマルチパラメータイメージングシステム

基于单次相移数字全息的多参数成像系统

• 发表时间: 2012
• 作者: 田原樹;他
• 通讯作者: 他

High-speed 3-D motion-picture recording by parallel phase-shifting digital holography

通过并行相移数字全息技术进行高速 3D 电影录制

• 发表时间: 2012
• 作者: Y. Awatsuji;T. Kakue;T Tahara;et al.
• 通讯作者: et al.

並列位相シフトディジタルホログラフィにおける残留共役像の除去と位相シフト法計算精度向上アルゴリズムの提案と実証

并行相移数字全息中去除残留共轭图像并提高相移计算精度的算法的提出和演示

• 发表时间: 2012
• 作者: 田原樹;他
• 通讯作者: 他

並列位相シフトディジタルホログラフィック顕微鏡法による毎秒15万フレーム3次元動画イメージング

使用并行相移数字全息显微镜以每秒 150,000 帧的速度进行 3D 视频成像

• 发表时间: 2011
• 作者: 田原樹;他
• 通讯作者: 他