JP2015041784A - High-speed imaging system and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高速撮影システム及び方法に関するものである。 The present invention relates to a high-speed imaging system and method.
短いフラッシュを用いたストロボ撮影は、我々の目では追えない現象、たとえば衝撃波やキャビテーション、磁化ダイナミクス、化学反応、ナノマテリアルの生成、フォノンの移動などを一瞬だけ止めることができる。21世紀に入ると原理的限界な領域であるアト秒のパルス光が作られ、ストロボ撮影速度の境界はついにサブフェムトの領域にまで広がった。しかしながらストロボ法には一枚の画像しか取得できないという決定的な限界があり、動的現象を詳細に調べることができない。照明のタイミングを少しずつずらして撮影を行い、最後に再構成を行うことで連続画像を得る時間分解ポンププローブ法はその問題を解決する一つの方法である。この手法を適用するためには、同一の現象が際限なく繰り返し起こることが必要とされる。これに対して、実際に我々は極めて複雑な世界に生きており、ほとんどの場合そのような理想的な状況を得ることができない。繰り返し生じない複雑な現象の観察にはシングルショットで連続画の取得が可能な高速度撮影が必要である。 Stroboscopic photography using a short flash can momentarily stop phenomena that we cannot follow, such as shock waves, cavitation, magnetization dynamics, chemical reactions, nanomaterial generation, and phonon movement. At the beginning of the 21st century, attosecond pulsed light, which is a fundamental limit area, was created, and the boundary of strobe shooting speed finally extended to the sub-femto area. However, the strobe method has a definitive limit that only one image can be acquired, and dynamic phenomena cannot be examined in detail. The time-resolved pump probe method that captures images by gradually shifting the illumination timing and finally performs reconstruction to obtain continuous images is one method for solving the problem. In order to apply this method, it is necessary that the same phenomenon occurs repeatedly indefinitely. In contrast, we actually live in a very complex world, and in most cases we can't get that ideal situation. To observe complex phenomena that do not occur repeatedly, high-speed photography that can acquire continuous images with a single shot is required.
半導体技術の進歩により、速度撮影の主役はCCDまたはCMOSを内蔵した多用途ビデオカメラにとって代わられた。高速度ビデオカメラは様々な研究、特に相対的に速い撮影速度が必要となる微視的な現象、の要求に応えている。島津製作所が2012年にリリースした高速度ビデオカメラはその中でも世界最速クラスのCMOS高速度ビデオカメラで、これは撮影速度1000万コマ、露光時間100ナノ秒を実現する。このようにビデオカメラの撮影速度は進歩してきているが、電気デバイスの動作速度の限界に近づいており、将来的にサブナノ秒の撮影速度を実現できるとは考えにくい。光パルス限界の時間領域にまで踏み込んだ超高速度撮影を実現するためには、機械的および電気的動作を一切排除することで、従来の電気デバイス依存の高速度撮影法の速度限界を超える、オールオプティカルなアプローチが必要である。 Advances in semiconductor technology have replaced the main role of speed photography with versatile video cameras with built-in CCD or CMOS. High-speed video cameras meet the demands of various studies, especially microscopic phenomena that require relatively high shooting speeds. The high-speed video camera released by Shimadzu in 2012 is the world's fastest class CMOS high-speed video camera, which achieves a shooting speed of 10 million frames and an exposure time of 100 nanoseconds. Thus, although the shooting speed of the video camera has progressed, it is approaching the limit of the operation speed of the electric device, and it is unlikely that a sub-nanosecond shooting speed can be realized in the future. In order to realize ultra high-speed photography that goes into the time domain of the optical pulse limit, by eliminating all mechanical and electrical operations, it exceeds the speed limit of conventional electrical device-dependent high-speed photography, An all-optical approach is necessary.
このように、ストロボ撮影法は非常に有効な高速度撮影法で、100年以上前から物理・化学・医学・生理学を問わず広く様々な分野で用いられているが、ストロボ法では、ますます複雑な現象に対象が移りつつある近年の研究の要求に対処できなくなった。それを補うように、高速度ビデオカメラ等の高速度撮影法が目覚ましい進歩を遂げたが、なおも残されている領域が存在する。それは電気的限界を超えるサブナノ秒の世界における複雑現象である。多くの高速度撮影の発展や需要にもかかわらず、ナノ秒より速い複雑な現象の連続画撮影を行える、効果的なシングルショット・イメージング手法は未だ確立されていない。 In this way, strobe photography is a very effective high-speed photography method and has been used in a wide variety of fields regardless of physics, chemistry, medicine, and physiology for more than 100 years. It has become impossible to cope with recent research demands that are shifting to complex phenomena. To make up for this, high-speed video cameras and other high-speed photography methods have made remarkable progress, but there are still areas that remain. It is a complex phenomenon in the sub-nanosecond world that exceeds the electrical limit. Despite the many developments and demands of high-speed photography, an effective single-shot imaging technique capable of taking continuous pictures of complex phenomena faster than nanoseconds has not yet been established.
特許文献１、非特許文献１には、分散ファイバの群速度分散を利用したイメージングシステムが開示されているが、このイメージングシステムは、本明細書の記載から明らかなように本発明とはシステムの全体構成が異なり、また、電気的な信号処理を含むものである。
現在、サブナノ秒という極めて短い時間で変化する単発現象を連続した２次元画像として取得する撮影システムは存在しない。例えば、CCDなどの撮像素子を用いた方法は連続撮影が可能であるが、撮影速度が十分でない。複数の撮像素子を組み合わせた世界最高速のカメラでも、ピコ秒からナノ秒の撮影を行うことはできない。一方、ポンププローブ法やストリークカメラはピコ秒の撮影速度を実現するが、繰り返し起こらない単発現象を連続画として取得できない、１次元の情報しか得られないという課題がある。
本発明の目的は、従来の高速撮影システムでは実現できない、ナノ秒以下の超短時間領域において変化する単発現象の連続撮影を可能とする高速撮影手法を提供することにある。
Currently, there is no imaging system that acquires a single-shot phenomenon that changes in a very short time of sub-nanoseconds as a continuous two-dimensional image. For example, a method using an image sensor such as a CCD can perform continuous shooting, but the shooting speed is not sufficient. Even the world's fastest camera that combines multiple image sensors cannot capture picoseconds to nanoseconds. On the other hand, although the pump probe method and the streak camera achieve picosecond imaging speed, there is a problem that only one-dimensional information can be obtained, in which a single phenomenon that does not occur repeatedly cannot be acquired as a continuous image.
An object of the present invention is to provide a high-speed imaging method that enables continuous imaging of a single-shot phenomenon that changes in an ultra-short time region of nanoseconds or less, which cannot be realized by a conventional high-speed imaging system.
本発明が採用した第１の技術手段は、
対象を照射する照射光を生成する照明系と、
対象が配置される観察部と、
対象を透過ないし反射した光を検出する検出系と、
からなる高速撮影システムであって、
前記照明系は、波長の異なる複数の部分からなる照射光を用意し、当該照射光の各部分が、波長に対応した異なる時間で対象に入射するように構成されており、
前記観察部において、前記照射光が対象に照射され、対象を透過もしくは反射することで波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光が生成され、前記透過光あるいは前記反射光の各部分は、波長に対応した時間における対象の像情報をそれぞれ保持しており、
前記検出系は、
前記波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光を、像情報を保持したまま波長ごとに空間的に分離する光分離部と、
前記光分離部によって空間的に分離された光を、受光面上の異なる位置に入射させて検出する撮像素子と、
を備えている、高速撮影システム、である。
The first technical means adopted by the present invention is:
An illumination system for generating illumination light for illuminating the object;
An observation part where the object is placed;
A detection system for detecting light transmitted through or reflected from the object;
A high-speed shooting system consisting of
The illumination system prepares irradiation light composed of a plurality of parts having different wavelengths, and each part of the irradiation light is configured to enter the target at different times corresponding to the wavelengths,
In the observation unit, the irradiation light is irradiated onto the object, and transmitted or reflected light including a plurality of parts having different wavelengths is generated by transmitting or reflecting the object, and each part of the transmitted light or the reflected light is , Each holding the image information of the object at the time corresponding to the wavelength,
The detection system is
A light separation unit that spatially separates transmitted light or reflected light composed of a plurality of parts having different wavelengths for each wavelength while retaining image information;
An image sensor for detecting the light spatially separated by the light separation unit by making it incident on different positions on the light receiving surface;
A high-speed shooting system.
１つの態様では、前記照明系は、パルス光を出射する広帯域光源と、パルス光のパルス幅を所定のパルス幅にストレッチする手段と、を備えている。
前記所定のパルス幅は、撮影時間に相当すると考えることができる。
１つの態様では、広帯域光源から出射されたパルス光は、光ファイバを通って伝搬し、前記ストレッチ手段は、群速度分散を用いたものである。
本発明において、パルスストレッチャは光ファイバの群速度分散を用いるものに限定されず、グレーティングペア、FBG (Fiber bragg grating)等、当業者に公知のいかなる手段をも用いることができる。
一般に、パルスストレッチャは、光路長の違いを用いたもの、群速度分散を用いたもの、の二つに分けられる。具体的には、前者はグレーティングペアやプリズムペア、可変鏡など、後者は光ファイバやガラスパイプなどが挙げられ、それらは撮影したい時間スケールに合わせてストレッチャーとして用いることができる。
In one aspect, the illumination system includes a broadband light source that emits pulsed light and means for stretching the pulse width of the pulsed light to a predetermined pulse width.
The predetermined pulse width can be considered to correspond to the imaging time.
In one aspect, the pulsed light emitted from the broadband light source propagates through the optical fiber, and the stretching means uses group velocity dispersion.
In the present invention, the pulse stretcher is not limited to the one using the group velocity dispersion of the optical fiber, and any means known to those skilled in the art such as a grating pair and FBG (Fiber bragg grating) can be used.
In general, the pulse stretcher is divided into two types, one using a difference in optical path length and the other using group velocity dispersion. Specifically, the former includes a grating pair, a prism pair, a variable mirror, and the like, and the latter includes an optical fiber, a glass pipe, and the like. These can be used as a stretcher in accordance with a time scale to be photographed.
１つの態様では、前記照明系は、さらに、ストレッチされたパルス光を、波長の異なる複数の部分からなるパルス列に成形する波形整形器を備えている。
波長の異なる複数の部分からなるパルス列において、当該波長の異なる複数の部分の数は撮影枚数に相当し、各部分の幅は露光時間に相当する。
波形整形器により撮影速度、露光時間が設定され得る。
１つの態様では、前記波形整形器は、４ｆ型波形整形器である。
１つの態様では、前記波形整形器は、LC-SLM（液晶空間光変調器）を備えている。
他の波形整形器として、AOPDF(Acousto-optic programmable dispersive filter)が例示される。ナノ秒などの遅い時間スケールの場合には、ポッケルスセルなどを用いて時間領域で波形整形をすることも可能である。
In one aspect, the illumination system further includes a waveform shaper that shapes the stretched pulse light into a pulse train including a plurality of portions having different wavelengths.
In a pulse train composed of a plurality of portions having different wavelengths, the number of the plurality of portions having different wavelengths corresponds to the number of shots, and the width of each portion corresponds to the exposure time.
The imaging speed and exposure time can be set by the waveform shaper.
In one aspect, the waveform shaper is a 4f-type waveform shaper.
In one aspect, the waveform shaper comprises an LC-SLM (Liquid Crystal Spatial Light Modulator).
As another waveform shaper, AOPDF (Acousto-optic programmable dispersive filter) is exemplified. In the case of a slow time scale such as nanoseconds, it is possible to perform waveform shaping in the time domain using a Pockels cell or the like.
後述する実施形態におけるように、好ましい態様では、前記照明系は、パルス光を出射する広帯域光源と、パルス光のパルス幅を撮影時間に相当するパルス幅にストレッチする手段と、ストレッチされたパルス光を、波長の異なる複数の部分からなるパルス列（波長の異なる複数のストロボ光）に成形する波形整形器と、を備えているが、上記照明系及び観察部における必須事項は、対象に波長の異なる光が異なる時間で照射されるということである。
例えば、遅い時間領域であれば、複数の波長の異なるレーザをロックし発振させ、光路長と強度を調整させればよく、広帯域超短パルスレーザ、ストレッチャー、波形整形器は必須構成要素ではない。
また、上記検出系における光分離部は波形整形器の役割も兼ねることができ、照明系における波形整形器は望ましい構成要素であって、必須構成要素ではない。
As in the embodiments described later, in a preferred aspect, the illumination system includes a broadband light source that emits pulsed light, means for stretching the pulse width of the pulsed light to a pulse width corresponding to the imaging time, and stretched pulsed light And a waveform shaper that shapes a pulse train (a plurality of strobe lights having different wavelengths) composed of a plurality of parts having different wavelengths, but the essential items in the illumination system and the observation unit are different in wavelength for the target. That is, light is emitted at different times.
For example, in the slow time region, it is only necessary to lock and oscillate a plurality of lasers having different wavelengths and adjust the optical path length and intensity, and the broadband ultrashort pulse laser, stretcher, and waveform shaper are not essential components. .
The light separation unit in the detection system can also serve as a waveform shaper, and the waveform shaper in the illumination system is a desirable component and not an essential component.
１つの態様では、前記光分離部は、光学的分散素子、シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズ、複数対のミラー群、で構成される４ｆ光学系であり、
前記光学的分散素子は前記シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズの焦点面に配置されており、
前記複数対のミラー群は、当該４ｆ光学系のフーリエ面が各ミラー対の中心に位置し、当該４ｆ光学系を通過する透過光ないし反射光の光路長が等しくなるように配置されており、
前記光学的分散素子に入射した波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光は、波長に応じて空間的に分離され、ついで、前記シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズを介して前記複数対のミラー群によって空間的に複数個に分割され、同じミラー対で反射された光は前記シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズを介して前記光学的分散素子で結合されて、空間的に分離された波長の異なる複数の透過光あるいは反射光として出射される。
４ｆ光学系の光分離部において、「光学的分散素子（後述の実施形態では回折格子）とシリンドリカルミラーとの距離」、「シリンドリカルミラーと各ミラー対の中心（上下のミラー対の高さ方向中央）との距離」、がシリンドリカルミラーの焦点距離に設定されている。
具体的な態様では、前記光学的分散素子は、回折格子、プリズム、グリズムから選択され得る。
なお、ミラー対の数＝Ｎ、光分離部に入射されるパルスがＭ個の部分からなる場合に、１つの態様では、Ｎ＝Ｍである。
もっとも、Ｎ＝Ｍの場合に限定されるものではなく、Ｍ（Ｍ＝１を含む）＜Ｎ、Ｍ＞Ｎの場合もあり得る。Ｍ（Ｍ＝１を含む）＜Ｎの例として、波形整形器でパルスを分けないで一つながり（波長の異なる複数の部分が連続してつながっている）とし、光分離部でフレームを分けるような場合が挙げられる。
また、波長選択スイッチ（ＷＳＳ）のシステムを利用して光分離部を構成することができる。波長選択スイッチ（ＷＳＳ）は、波長多重化されて伝送される光信号を受光し、任意の波長を任意の経路に分配する機能を有する。波長選択スイッチ（ＷＳＳ）としては、例えば、LCOS(liquid crystal on silicon)やDMD(digital mirror device)を用いたものが知られている。
In one aspect, the light separation unit is a 4f optical system including an optical dispersion element, a cylindrical mirror or a cylindrical lens, and a plurality of pairs of mirror groups.
The optical dispersion element is disposed on a focal plane of the cylindrical mirror or the cylindrical lens;
The plurality of pairs of mirrors are arranged such that the Fourier plane of the 4f optical system is located at the center of each mirror pair, and the optical path lengths of transmitted light or reflected light passing through the 4f optical system are equal.
Transmitted light or reflected light composed of a plurality of portions having different wavelengths incident on the optical dispersion element is spatially separated according to the wavelength, and then the plurality of pairs of mirror groups via the cylindrical mirror or cylindrical lens. The light that has been spatially divided into a plurality of light beams and reflected by the same pair of mirrors is coupled by the optical dispersion element via the cylindrical mirror or cylindrical lens, and is separated into a plurality of spatially separated transmissions having different wavelengths. It is emitted as light or reflected light.
In the light separation section of the 4f optical system, “the distance between the optical dispersion element (diffraction grating in the embodiment described later) and the cylindrical mirror” and “the center of the cylindrical mirror and each mirror pair (the center in the height direction of the upper and lower mirror pairs) ) ”Is set as the focal length of the cylindrical mirror.
In a specific aspect, the optical dispersion element may be selected from a diffraction grating, a prism, and a grism.
In the case where the number of mirror pairs = N and the number of pulses incident on the light separation unit is M parts, in one aspect, N = M.
However, the present invention is not limited to the case where N = M, and there may be a case where M (including M = 1) <N, M> N. As an example of M (including M = 1) <N, a pulse is not divided by a waveform shaper, but is connected (a plurality of parts having different wavelengths are continuously connected), and a frame is divided by an optical separation unit. Cases.
Further, the light separation unit can be configured using a wavelength selective switch (WSS) system. The wavelength selective switch (WSS) has a function of receiving an optical signal transmitted by wavelength multiplexing and distributing an arbitrary wavelength to an arbitrary path. As the wavelength selective switch (WSS), for example, one using LCOS (liquid crystal on silicon) or DMD (digital mirror device) is known.
１つの態様では、前記撮像素子は、ＣＣＤイメージセンサ（ICCD、冷却CCD、EMCCDを含む）である。
１つの態様では、前記撮像素子は、ＣＭＯＳイメージセンサである。
In one embodiment, the imaging device is a CCD image sensor (including an ICCD, a cooled CCD, and an EMCCD).
In one aspect, the image sensor is a CMOS image sensor.
本発明が採用した第２の技術手段は、
波長の異なる複数の部分からなる照射光を用意するステップと、
前記照射光を対象に照射し、対象を透過もしくは反射することで波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光を生成し、前記透過光あるいは反射光の各部分に、波長に対応した時間における対象の像情報をそれぞれ保持させるステップと、
前記透過光あるいは前記反射光を、像情報を保持したまま波長ごとに空間的に分離するステップと、
空間的に分離された光を、撮像素子の受光面上の異なる位置に入射させて検出するステップと、
を備えた、高速撮影方法、である。
１つの態様では、前記波長の異なる複数の部分からなる照射光を用意するステップは、広帯域光源から出射されたパルス光を撮影時間に相当するパルス幅にストレッチするステップを備えている。
１つの態様では、前記波長の異なる複数の部分からなる照射光を用意するステップは、さらに、ストレッチされたパルス光を、波長の異なる複数の部分からなるパルス列に成形するステップを備えている。
The second technical means adopted by the present invention is:
Preparing irradiation light composed of a plurality of parts having different wavelengths;
A time corresponding to the wavelength is generated in each part of the transmitted light or reflected light by irradiating the target with the irradiation light and generating transmitted light or reflected light composed of a plurality of parts having different wavelengths by transmitting or reflecting the target. Holding each of the target image information in
Spatially separating the transmitted light or reflected light for each wavelength while retaining image information;
Detecting the spatially separated light by making it incident on different positions on the light receiving surface of the image sensor; and
A high-speed shooting method.
In one aspect, the step of preparing the irradiation light composed of a plurality of portions having different wavelengths includes the step of stretching the pulse light emitted from the broadband light source to a pulse width corresponding to the imaging time.
In one aspect, the step of preparing the irradiation light composed of a plurality of portions having different wavelengths further comprises the step of shaping the stretched pulse light into a pulse train composed of a plurality of portions having different wavelengths.
本発明に係る高速撮影手法は、機械的、電気的な動作を一切排除し、全て光を用いるものであり、原理的には撮影速度に制限はなく、ナノ秒以下（フェムト秒〜ナノ秒）のいかなる超高速現象にも対応する超高速撮影が可能である。本発明は、ピコ秒、ナノ秒という超高速現象をシングルショットで連続撮影が可能であり、また、撮影対象となる現象は、反復性をもたない現象や一度きりしか生じないシングルイベントであってもよい。このように、本発明は、従来の高速度ビデオカメラの撮影速度の制限を解決すると共に、従来の装置では実現できなかったナノ秒以下の２次元動画撮影を可能とする。 The high-speed imaging method according to the present invention eliminates all mechanical and electrical operations and uses all light. In principle, the imaging speed is not limited, and it is nanosecond or less (femtosecond to nanosecond). It is possible to perform ultra-high-speed shooting corresponding to any ultra-high-speed phenomenon. In the present invention, it is possible to continuously capture ultra-high-speed phenomena such as picoseconds and nanoseconds with a single shot, and the phenomenon to be photographed is a phenomenon that does not have repeatability or a single event that occurs only once. May be. As described above, the present invention solves the limitation of the shooting speed of the conventional high-speed video camera and enables two-dimensional moving image shooting in nanoseconds or less that cannot be realized by the conventional apparatus.
本発明では、波形整形と波長による分散量を調整することで、任意の撮影速度（フレーム間隔）・露光時間を実現することができ、適応性に富む撮影が可能である。既存のカメラの多くは、撮影速度や露光時間を設定するとすべてのフレームで同様の条件をとるようになっているのに対して、本発明は撮影のタイミング（露光のタイミング）やフレーム毎の露光時間を任意に設定することができる。その結果、一連の現象をある部分だけより高速な撮影速度で細かく撮影することや、光量の多くなるときのみ露光時間を減らすという柔軟な撮影が可能である。 In the present invention, arbitrary imaging speed (frame interval) and exposure time can be realized by adjusting the waveform shaping and the dispersion amount depending on the wavelength, and imaging with high adaptability is possible. Many existing cameras have the same conditions for all frames when the shooting speed and exposure time are set, whereas the present invention has a shooting timing (exposure timing) and exposure for each frame. Time can be set arbitrarily. As a result, it is possible to shoot a series of phenomena finely at a higher shooting speed only at a certain portion, and to perform flexible shooting that reduces the exposure time only when the amount of light increases.
本発明は光のみを用いた撮影手法なので、電子顕微鏡などのようにサンプルに対し特別な前処理などは必要なく、また既存の光学素子を利用したり顕微鏡装置等に組み込むことができ、従来の手法に組み合わせて幅広く応用することが可能である。 Since the present invention is an imaging method using only light, no special pretreatment is required for the sample as in an electron microscope, and an existing optical element can be used or incorporated in a microscope apparatus. It can be widely applied in combination with methods.
［Ａ］本発明の原理
本発明は、従来の撮影法では捉えることができなかった複雑かつ反復性のない超高速現象を完全なシングルショットで動的撮影可能なストロボ撮影法を提供する。本発明の概念は、超高速イベントの情報をスペクトル操作により時間軸上から空間軸上にそれぞれ射影するものである。本発明に係る手法では、超短パルスから撮影の時間スケールに合わせた波長の異なるストロボ光を作成し、古典的なストロボ法のようにそれらを対象に照射し、像情報を保持した波長の異なるストロボ光からマルチスペクトラルイメージングにより撮像素子の異なる位置で画像を取得する。
[A] Principle of the present invention The present invention provides a strobe photographing method capable of dynamic photographing with a complete single shot of a complex and non-repetitive super-high-speed phenomenon that could not be captured by a conventional photographing method. The concept of the present invention is to project information on ultra high-speed events from the time axis to the space axis by spectrum operation. In the method according to the present invention, strobe lights having different wavelengths according to the time scale of imaging are created from ultrashort pulses, and they are irradiated onto the object as in the classic strobe method, and the wavelengths having different image holding information are maintained. Images are acquired at different positions of the image sensor by multispectral imaging from strobe light.
図１に示すように、本発明の基本的な原理は波長を媒介した時空間の射影変換であり、写像fλ：T→Sは時間分散された超短パルスとマルチスペクトラルイメージングにより実現される。すなわち、本発明の原理は、イベント情報の時間領域から空間領域への単射である。この数学的概念を実行するため、イベントはリアルタイムで波長の異なるストロボ光によりラベル付けされ、その後、それらはマルチスペクトラルイメージング法により実空間へ射影される。 As shown in FIG. 1, the basic principle of the present invention is a space-time space-time projective transformation, and the mapping f λ : T → S is realized by time-dispersed ultrashort pulses and multispectral imaging. . That is, the principle of the present invention is the injection of event information from the time domain to the space domain. To implement this mathematical concept, events are labeled with strobe lights of different wavelengths in real time, after which they are projected into real space by a multispectral imaging method.
広帯域のストロボ光は波長に応じて時間的に分散させることができる。このようにストレッチされた光を動的現象に照射することで、動的現象の瞬間の様子を時系列に波長によりタグ付することができる。これは時間について波長を変数とする関数をつくることと同義である。空間への写像は、像情報を記録した波長の異なるストロボ光をマルチスペクトラルイメージング法により空間の異なる位置に導くことで実現される。 Broadband strobe light can be dispersed in time according to the wavelength. By irradiating the dynamic phenomenon with the light thus stretched, it is possible to tag the state of the dynamic phenomenon in time series with the wavelength. This is synonymous with creating a function whose wavelength is a variable with respect to time. Mapping to space is realized by guiding strobe light with different wavelengths recording image information to different positions in the space by the multispectral imaging method.
［Ｂ］システム構成
［Ｂ−１］概要
本実施形態では、超高速現象を、サブナノ秒、連続的、２Ｄかつシングルショットで撮影する。本実施形態の全体構成を図２、図３に示す。本実施形態では、波長の異なるストロボ光を連続照射することで、当該波長の異なるストロボ光で高速現象を切り取る。時間と波長に対応関係があるため、ある時間における観察対象の情報は、対応する波長の光に転写され記録される。像情報を持った波長の異なるストロボ光（透過光あるいは反射光）を波長に応じて空間的に分離することで、波長ごとに撮像素子上の異なる位置で結像して検出する。本実施形態において、像の取得は、主として、色の異なるストロボ光を作成し照射する照明系と、像情報を保持したストロボ光を異なる位置で取得する検出系と、の２つの系ないしステップで構成される。照明系によって生成されたストロボ光を用いて観察部に配置した対象を照射し、対象の像情報を保持した透過光ないし反射光を検出系において検出する。観察部に配置される対象の種類は限定されない。対象が例えば細胞の場合には、好適には透過光学系が採用されるが、本発明は原理的に対象を透過する光を検出するものでも、対象から反射された光を検出するものでもよい。
[B] System Configuration [B-1] Overview In this embodiment, an ultra-high-speed phenomenon is photographed in sub-nanosecond, continuous, 2D, and single shot. 2 and 3 show the overall configuration of the present embodiment. In the present embodiment, the high-speed phenomenon is cut out by the strobe light having different wavelengths by continuously irradiating the strobe light having different wavelengths. Since there is a correspondence relationship between time and wavelength, information on the observation target at a certain time is transferred and recorded on light of the corresponding wavelength. Stroboscopic light (transmitted light or reflected light) having different wavelengths having image information is spatially separated according to the wavelength, and is imaged and detected at different positions on the image sensor for each wavelength. In this embodiment, image acquisition is mainly performed in two systems or steps: an illumination system that creates and irradiates strobe light with different colors, and a detection system that acquires strobe light that holds image information at different positions. Composed. The strobe light generated by the illumination system is used to irradiate the object placed on the observation unit, and transmitted light or reflected light retaining image information of the object is detected by the detection system. The kind of object arrange | positioned at an observation part is not limited. When the object is, for example, a cell, a transmission optical system is preferably used. However, in principle, the present invention may detect light transmitted through the object, or detect light reflected from the object. .
照明系では超短パルス光を撮影時間に相当するパルス幅にストレッチする。伸展されたパルス光を波形整形器に通すことで、波長の異なる複数のストロボ光を作り出す。波長の異なる複数のストロボ光は撮影したい対象を透過もしくは反射することで、対象の像情報を持つ。波長の異なるストロボ光が観察対象へと照射される時に、時間と波長に対応関係があるため、ある時間における観察対象の情報は、対応する波長の光に転写される。 In the illumination system, ultrashort pulse light is stretched to a pulse width corresponding to the imaging time. By passing the extended pulse light through a waveform shaper, multiple strobe lights with different wavelengths are created. A plurality of strobe lights having different wavelengths have image information of the object by transmitting or reflecting the object to be photographed. When stroboscopic light having different wavelengths is irradiated onto the observation target, since there is a corresponding relationship between time and wavelength, information on the observation target at a certain time is transferred to light of the corresponding wavelength.
検出系においては、グレーティングなどを用いてストロボ光を波長ごとに空間的に分離する。このとき、像情報は保たれたままである。波長ごとに空間的に分離されたストロボ光を、ハイパースペクトラルイメージング技術によりCCDイメージセンサなどの撮像素子（露光した状態に保持）の異なる位置へ入射することで、各ストロボ光は、波長に応じて、露出した状態のイメージセンサ上の別々の場所で検出される。 In the detection system, strobe light is spatially separated for each wavelength using a grating or the like. At this time, the image information is kept. Strobe light that is spatially separated for each wavelength is incident on different positions on an image sensor (held in an exposed state) such as a CCD image sensor using hyperspectral imaging technology. , Detected at different locations on the exposed image sensor.
［Ｂ−２］照明系
システムの前半は照明系で、そこでは２つのステップにより波長の異なるストロボ光が作成される。具体的には、照明系は、光源から出射される広帯域超短パルス光を、関心のある現象の時間スケールまでパルスストレッチャにて伸展するステップ（撮影時間の調整）と、伸展されたパルス光を、波形整形器で撮影枚数分のストロボ光に分けるステップ（撮影速度、露光時間、光量の調整）と、を備えている。
[B-2] The first half of the illumination system is an illumination system, in which strobe light having different wavelengths is created by two steps. Specifically, the illumination system extends a broadband ultrashort pulsed light emitted from the light source with a pulse stretcher (adjusting the imaging time) to the time scale of the phenomenon of interest, and the extended pulsed light. And a step (adjustment of photographing speed, exposure time, and light amount) for dividing the number of stroboscopic lights by the waveform shaper.
照明系においては、広帯域パルス光を、プリズムやグレーティングなどの分散補償光学系またはファイバの群速度分散を用いて伸展し、波長ごとに到達時間の差を作り出す（トータルの撮影時間に相当する）。時間伸展に関しては、時間スケールに対応した様々な手段が知られている。フェムト秒には位相シフターや可変鏡、ピコ秒ではプリズムペアやグレーティングペア、ナノ秒ではファイバ内での群速度分散などである。それらは光の速度が波長によって異なること、もしくは波長によって光路長が異なることを利用している。ここで重要な点は、波長と時間分散が一対一の対応関係にあるということである。 In the illumination system, broadband pulsed light is extended using a dispersion compensation optical system such as a prism or a grating or group velocity dispersion of a fiber to create a difference in arrival time for each wavelength (corresponding to the total imaging time). Regarding time extension, various means corresponding to the time scale are known. Femtoseconds include phase shifters and variable mirrors, picoseconds include prism pairs and grating pairs, and nanoseconds include group velocity dispersion in the fiber. They make use of the fact that the speed of light varies depending on the wavelength, or the optical path length varies depending on the wavelength. The important point here is that there is a one-to-one correspondence between wavelength and time dispersion.
より具体的な態様例では、図４に示すように、光源には伸展器・増幅器・圧縮器で構成されるCPA（チャープ・パルス増幅）システムと、モードロックチタンサファイアレーザ(Ti:Sレーザ)と、を用いる。CPAのグレーティングペアは、中心波長810nm、波長幅60nmのパルス幅60fsに圧縮された1次光と、圧縮されていないパルス幅100ps程度の0次光と、を生成する。0次光（帯域: 780nm - 840nm）を、対象を照射するストロボ光（プローブ光）の光源とする。 In a more specific embodiment, as shown in FIG. 4, the light source includes a CPA (chirp pulse amplification) system composed of an extender, an amplifier and a compressor, and a mode-locked titanium sapphire laser (Ti: S laser). And are used. The CPA grating pair generates primary light compressed to a pulse width of 60 fs with a center wavelength of 810 nm and a wavelength width of 60 nm, and zero-order light with an uncompressed pulse width of about 100 ps. The 0th-order light (band: 780 nm to 840 nm) is used as the light source of the strobe light (probe light) that irradiates the object.
図５に示すように、波長による時間領域の拡がりの生成には、光ファイバにおける群速度分散を用いることができる。例えば、シングルモードファイバ（FUJIKURA SM85-SM-U25A、分散：-97(ps/nm/km)）を用いて、200mの光ファイバを通してストレッチすると、パルス幅はおよそ1nsとなり、フレーム間隔は200psとなる。また、撮影枚数が少ない場合等には、例えば、一度それぞれのフレームに対応する光を異なる光路に分け、光学的遅延回路によって時間分散を生成させ、再び同軸の光路に戻してもよい。 As shown in FIG. 5, group velocity dispersion in an optical fiber can be used to generate time domain spread according to wavelength. For example, using a single mode fiber (FUJIKURA SM85-SM-U25A, dispersion: -97 (ps / nm / km)) and stretching through a 200m optical fiber, the pulse width is approximately 1ns and the frame interval is 200ps. . Further, when the number of shots is small, for example, the light corresponding to each frame may be once divided into different optical paths, time dispersion may be generated by an optical delay circuit, and returned to the coaxial optical path again.
パルス幅が伸展されたパルス光を波形整形器に通すことで、撮影枚数に対応するように、波長の異なる複数のストロボ光を作り出す。波形整形器によりフレーム間隔（逆数はフレームレートに相当）と露光時間を調整する。すなわち、波形整形器によって、フレーム間隔、露光時間を設定することができる。例えば、記録時間120psにおいて、波形整形器によって、撮影速度約20ps、露光時間約10psに設定する。他のカメラのように撮影速度や露光時間は一定である必要はなく、周波数領域におけるマスク関数による光の制御によって自由な動画撮影が実現される。そこには電気デバイスで見られるジッターは存在せず、録画時間スケールにおいて十分な時間精度で撮影速度と露光時間を制御することができる。これらの連続したストロボ光は物体に到着した時のオブジェクト情報をそれぞれ取得する。 By passing the pulse light with the extended pulse width through the waveform shaper, a plurality of strobe lights with different wavelengths are created so as to correspond to the number of shots. The waveform shaper adjusts the frame interval (the reciprocal corresponds to the frame rate) and the exposure time. That is, the frame shaper and the exposure time can be set by the waveform shaper. For example, at a recording time of 120 ps, an imaging speed of about 20 ps and an exposure time of about 10 ps are set by a waveform shaper. Unlike other cameras, the shooting speed and exposure time do not have to be constant, and free moving image shooting is realized by controlling light with a mask function in the frequency domain. There is no jitter found in electrical devices, and the shooting speed and exposure time can be controlled with sufficient time accuracy on the recording time scale. These continuous strobe lights acquire object information when they arrive at the object.
伸展した光を制御し、所望のパルス列を得る波形整形器として、４ｆ型波形整形器が知られている。図６を参照しつつ、４ｆ型波形整形器の構成について説明する。入力パルス（伸展されたパルス光）は第１のグレーティング（刻線数：600 line/mm）によって空間的にスペクトルに分散され、分散を受けたパルス光は第１のレンズ(f=145mm)によって平行にコリメートされる。第１のレンズの後方の焦点面に入力パルスのスペクトル面（フーリエ変換面）が形成される。フーリエ変換面に変調マスクを配置して入力パルスを変調する。変調マスクとしては、LC-SLM（液晶空間光変調器）が例示されるが、他のフーリエマスクを用いてもよい。変調光は、第２のレンズ(f=145mm)、第２のグレーティング（刻線数：600 line/mm）によって時間領域に戻される。図示の態様では、波形整形器の入射側、出射側にそれぞれPBS(偏光ビームスプリッター)が配置されており、第１のレンズとLC-SLMとの間、LC-SLMと第２のレンズとの間には、それぞれ、λ/2板が配置されている。４ｆ型波形整形器自体は公知であり、さらなる詳細な説明は省略する。また、他の構成を備えた波形整形器を用いてもよい。 A 4f waveform shaper is known as a waveform shaper that controls the extended light and obtains a desired pulse train. The configuration of the 4f type waveform shaper will be described with reference to FIG. The input pulse (stretched pulse light) is spatially dispersed in the spectrum by the first grating (number of engraved lines: 600 line / mm), and the pulse light that has received the dispersion is transmitted by the first lens (f = 145 mm). Collimated in parallel. A spectral plane (Fourier transform plane) of the input pulse is formed on the focal plane behind the first lens. A modulation mask is arranged on the Fourier transform plane to modulate the input pulse. The modulation mask is exemplified by LC-SLM (Liquid Crystal Spatial Light Modulator), but other Fourier masks may be used. The modulated light is returned to the time domain by the second lens (f = 145 mm) and the second grating (number of engraved lines: 600 line / mm). In the illustrated embodiment, PBSs (polarization beam splitters) are arranged on the incident side and the emission side of the waveform shaper, respectively, between the first lens and the LC-SLM, and between the LC-SLM and the second lens. Between them, λ / 2 plates are respectively arranged. The 4f type waveform shaper itself is well known, and further detailed description is omitted. Moreover, you may use the waveform shaper provided with the other structure.
波形整形器は、撮影速度と露光時間を調整するのみならず、照明強度の調整機構としても働く。LC-SLMにより、各波長の強度を調整することができ、４ｆ型波形整形器によって、ストロボ光を整形することで、所望の撮影速度、露光時間を備え、強度の揃った複数（撮影枚数に対応）のストロボ光が生成される。図２、図７、図８の例では、波長の異なる６つのパルス列からなる６つのストロボ光が生成される。 The waveform shaper not only adjusts the shooting speed and exposure time, but also functions as an adjustment mechanism for illumination intensity. The LC-SLM can be used to adjust the intensity of each wavelength, and the strobe light can be shaped using the 4f-type waveform shaper. Corresponding) strobe light is generated. In the example of FIGS. 2, 7, and 8, six strobe lights composed of six pulse trains having different wavelengths are generated.
［Ｂ−３］検出系
システムの後半は検出系であり、波長の異なるストロボ光を、像情報を保持したまま波長ごとに空間的に分離する手段（本明細書では、SIS：Spatial Image Splitterと称する）と、空間的に分離された光を、撮像素子（受光面）の異なる位置に入射させて検出する検出器と、から構成されている。検出器は、例えば、CCDイメージセンサである。図２、図９〜図１２に係る例では、像情報を保持した６つのパルス列が、回折格子、シリンドリカルミラー、６対のミラー群、で構成される４ｆ光学系によって、像情報を保持したまま空間的に６つに分けられ、６つの光がCCDイメージセンサの異なる位置に入射されて検出される。
[B-3] The latter half of the detection system is a detection system, and means for spatially separating strobe light having different wavelengths for each wavelength while retaining image information (in this specification, SIS: Spatial Image Splitter and And a detector that detects spatially separated light by making it incident on different positions of the image sensor (light receiving surface). The detector is, for example, a CCD image sensor. In the examples according to FIGS. 2 and 9 to 12, six pulse trains holding image information are held by the 4f optical system including a diffraction grating, a cylindrical mirror, and six pairs of mirror groups. It is divided into six spatially, and six lights are incident on different positions of the CCD image sensor and detected.
ここで、「各パルス列を波長ごとに分離する」ということと「各パルス列内の光は波長に関わらず同じ位置に入射させる」という対立する機能を実現させる必要がある（図８参照）。まず回折格子で波長に依存する形で空間的に分離し、次にミラーを用いて波長に依存しない形で空間的に分割する。その後、再び回折格子に入射することで、６つの列ごとにパルス光が分離される。 Here, it is necessary to realize an opposing function of “separating each pulse train for each wavelength” and “making the light in each pulse train enter the same position regardless of the wavelength” (see FIG. 8). First, the diffraction grating spatially separates in a wavelength-dependent manner, and then uses a mirror to spatially separate in a wavelength-independent manner. After that, by entering the diffraction grating again, the pulsed light is separated every six columns.
SISではシリンドリカルミラーの焦点面に配置された回折格子により、まず波長によりすべての光を空間的に分ける。ついで、4f光学系のフーリエ面がミラー対の中心に位置し、かつそれぞれの光路長（SISを通過するそれぞれの波長の光の光学距離）が等しくなるように配置されたミラー群により、垂直方向に分けられる。最後に、同じ高さにある光（同じミラー対で反射された光）は回折格子により再び融合される。図９〜図１１に示す態様では、６対のミラー群は、６つのストロボ光からなるパルス列（撮影枚数）に対応している。６対のミラー群を用いた場合、ストレッチャーでパルス（撮影時間）を120psに引き延ばしたら、それを6分割することができるので、それぞれのフレームが0〜20psの露光時間をとることができる。12nsまでストレッチした場合には、各ミラーがそれぞれ2nsずつ対応することになる。本実施形態に係るSISではシリンドリカルミラーを用いているため、水平方向にはリレーレンズ系として働き、水平方向と鉛直方向の結像位置が変化する。それを打ち消すため、シリンドリカルミラーと同じ焦点距離を有した２つのシリンドリカルレンズによる鉛直方向のリレーレンズ系を挿入し、結像を実現している（図１０参照）。なお、SISの構成において、シリンドリカルミラーに代えてシリンドリカルレンズを用い得ることが当業者に理解される。この場合、分散素子（回折格子）やミラー対の配置は、シリンドリカルミラーの時と同様にレンズの焦点距離となる。シリンドリカルレンズには、色収差を抑える為にアクロマティックレンズを用いることが望ましい。 In SIS, all light is first spatially separated by wavelength using a diffraction grating placed on the focal plane of a cylindrical mirror. Next, the 4f optical system's Fourier plane is located at the center of the mirror pair, and the mirrors are arranged so that their optical path lengths (the optical distances of the respective wavelengths of light passing through the SIS) are equal. It is divided into. Finally, the light at the same height (light reflected by the same mirror pair) is fused again by the diffraction grating. In the modes shown in FIGS. 9 to 11, the six pairs of mirror groups correspond to a pulse train (number of shots) composed of six strobe lights. When six pairs of mirrors are used, if the pulse (shooting time) is extended to 120 ps by a stretcher, it can be divided into six, so that each frame can take an exposure time of 0 to 20 ps. When stretching to 12 ns, each mirror corresponds to 2 ns. Since the SIS according to the present embodiment uses a cylindrical mirror, it functions as a relay lens system in the horizontal direction, and the horizontal and vertical imaging positions change. In order to cancel this, a vertical relay lens system comprising two cylindrical lenses having the same focal length as that of the cylindrical mirror is inserted to realize image formation (see FIG. 10). It should be understood by those skilled in the art that a cylindrical lens can be used in place of the cylindrical mirror in the SIS configuration. In this case, the dispersive element (diffraction grating) and the mirror pair are arranged at the focal length of the lens as in the case of the cylindrical mirror. As the cylindrical lens, it is desirable to use an achromatic lens in order to suppress chromatic aberration.
波長の異なるストロボ光を、像情報を保持したまま波長ごとに空間的に分離する手段は、図９〜図１１に示す構成に限定されない。例えば、通信分野で用いられる波長選択スイッチ(WSS: wavelength selective switch)の光学構成を転用することができる。WSSの光学構成には、入出力ファイバーアレイ、入力WDM(wavelength division multiplexing)信号光を信号ごとに空間的に分離する分光素子（diffraction grating）、像側テレセントリックを構成する集光レンズ（aspheric lens）、各WDM信号を任意の出力ポートに振り分けるアレイ型光ビーム偏向素子（LCOS, DMD等を用いたbeam deflector）から構成されるものがある。関連して、特開２０１２−１０８３４６には、多数の波長の光から成るＷＤＭ(wavelength division multiplexing)信号光を入射し、選択された波長の光信号を出射する入出射部と、ＷＤＭ信号光をその波長に応じて空間的に分散させると共に、反射光を合波する波長分散素子と、前記波長分散素子によって分散されたＷＤＭ光を２次元平面上に集光する集光素子と、波長に応じて展開されたｘ軸方向と、これに垂直なｙ軸方向から成るｘｙ平面に展開された入射光を受光する位置に配置され、ｘｙ平面に格子状に配列された多数の画素を有し、２次元の各画素の位相シフト特性を周期的に変化させるマルチレベル光フェーズドアレイを用いた波長選択素子と、前記波長選択素子のｘｙ方向に配列された各画素の電極を駆動することによって各波長毎に位相シフト特性を変化させ、各波長毎に異なった方向に光を反射する波長選択素子駆動部と、を具備する光スイッチ装置、が開示されている。波長分散素子としては、回折格子、プリズム、あるいは、回折格子とプリズムを組み合わせた構成を用いることができる。波長選択素子としては、LCOS(liquid crystal on silicon)やDMD(digital mirror device)を用いることができる。 Means for spatially separating strobe light having different wavelengths for each wavelength while retaining image information is not limited to the configurations shown in FIGS. For example, an optical configuration of a wavelength selective switch (WSS) used in the communication field can be diverted. The optical configuration of WSS includes an input / output fiber array, a spectral division element that separates input WDM (wavelength division multiplexing) signal light for each signal, and a condensing lens that constitutes image-side telecentricity (aspheric lens) Some of them are composed of array type light beam deflecting elements (beam deflectors using LCOS, DMD, etc.) that distribute each WDM signal to an arbitrary output port. In relation to JP 2012-108346 A, a WDM (wavelength division multiplexing) signal light composed of a plurality of wavelengths of light is incident, an input / output unit that emits an optical signal of a selected wavelength, and a WDM signal light. A wavelength dispersive element that spatially disperses according to the wavelength and combines reflected light, a condensing element that condenses the WDM light dispersed by the wavelength dispersive element on a two-dimensional plane, and according to the wavelength A plurality of pixels arranged in a grid pattern on the xy plane, arranged at a position for receiving incident light expanded on the xy plane composed of the x-axis direction expanded in the y-axis direction perpendicular to the x-axis direction, A wavelength selection element using a multilevel optical phased array that periodically changes the phase shift characteristics of each two-dimensional pixel, and each wavelength by driving an electrode of each pixel arranged in the xy direction of the wavelength selection element Every There is disclosed an optical switch device including a wavelength selection element driving unit that changes phase shift characteristics and reflects light in a different direction for each wavelength. As the wavelength dispersion element, a diffraction grating, a prism, or a combination of a diffraction grating and a prism can be used. As the wavelength selection element, LCOS (liquid crystal on silicon) or DMD (digital mirror device) can be used.
検出器について、超高速度動的現象の連続画を取得するためには、超高速で応答するデバイスの代わりに大面積（空間的に分離された複数の光を異なる位置に入射できるような面積）もしくは複数のCCD素子や写真乾板を用意すればよい。検出器としては、既存のCCDイメージセンサを用いることができる。図１２には、EM(Electron Multiplying)CCD（Newton, Andor Technology）を例示する。この例では、ピクセル数：1600x400、ピクセルサイズ：16x16[μm]、撮像素子面積：25.6x6.4[mm2]、量子効率：＠800nm:0.65、レーザスポット径：4mm、であり、撮像素子に６つの光が入射するようになっている。撮像素子は露光状態を保つため外部からの光を遮光する。また、後述する実験で用いた検出器は、解像度2048×2048の冷却CCDカメラ（Image sensor Andor iKon-L DZ936N-FS-BR-DD型）である。 In order to obtain a continuous image of ultra-high-speed dynamic phenomena for the detector, instead of a device that responds at ultra-high speed, a large area (area that allows multiple spatially separated lights to be incident at different positions) Or a plurality of CCD elements and photographic plates. An existing CCD image sensor can be used as the detector. FIG. 12 illustrates an EM (Electron Multiplying) CCD (Newton, Andor Technology). In this example, the number of pixels: 1600x400, pixel size: 16x16 [μm], image sensor area: 25.6x6.4 [mm 2 ], quantum efficiency: @ 800nm: 0.65, laser spot diameter: 4mm, Six lights are incident. The image sensor blocks light from the outside in order to maintain the exposure state. The detector used in the experiment described later is a cooled CCD camera (Image sensor AndiKon-L DZ936N-FS-BR-DD type) with a resolution of 2048 × 2048.
図１３は、撮影枚数を増加する態様例を示す図であり、互いに角度を異ならしめた複数のミラーが配置されており、撮像素子の受光面に９個の画像（３×３）が結像される。また、撮像素子の数は１つに限定されるものではなく、複数の撮像素子上に結像させて対象の像を検出してもよい。 FIG. 13 is a diagram showing an example of increasing the number of shots. A plurality of mirrors having different angles are arranged, and nine images (3 × 3) are formed on the light receiving surface of the image sensor. Is done. In addition, the number of image sensors is not limited to one, and an image of a target may be detected by forming an image on a plurality of image sensors.
本実施形態では、超短パルスから作られた波長の異なるストロボ光により現象を時間的にタグ付し、それらを空間的に異なるセンサ位置で取得することにより、電気デバイスの限界を上回るサブナノ秒でのシングルショット連続画撮影が可能となる。本実施形態において、ストロボ光は光学的な手法のみで分離されるため、SISは本実施形態に係る高速撮影システムの高速性を妨げない。その上、４ｆ光学系で定まる波長分解能やグレーティング（またはプリズム）に依存するエネルギ効率も非常に高い。像情報を失うことなくSISで分離された光は、それぞれ異なる場所で撮像素子により検出される。本実施形態では高速の読み出しは必要ないので、純粋に最もノイズが少なく最も感度の高いカメラや増幅器を選択することが可能である。SISにおけるエネルギの低損失性と検出器の高感度性は、対象へ加えられたエネルギをできる限り効率良く用いることができる。 In this embodiment, phenomena are temporally tagged with strobe light of different wavelengths made from ultrashort pulses, and they are acquired at spatially different sensor positions, so that in sub-nanoseconds exceeding the limit of electrical devices. Single shot continuous image shooting is possible. In the present embodiment, since the strobe light is separated only by an optical method, the SIS does not hinder the high speed of the high speed imaging system according to the present embodiment. In addition, the energy efficiency depending on the wavelength resolution and grating (or prism) determined by the 4f optical system is very high. The light separated by the SIS without losing image information is detected by the image sensor at different locations. In the present embodiment, since high-speed readout is not necessary, it is possible to select a camera or an amplifier that has purely the least noise and the highest sensitivity. The low loss of energy in SIS and the high sensitivity of the detector allows the energy applied to the object to be used as efficiently as possible.
本実施形態において、撮影速度は電気的な撮像素子の読み出し速度ではなく、ストロボ光の照射間隔に依存する。本実施形態は、２次元画像の連続撮影を可能とするものであり、超高速領域の連続画の取得はストリークカメラでの次元の欠損（2D→1D）のように像情報を失うことなく実現される。本実施形態では、超高速現象の連続画像をシングルショットで撮影できるため、例えば、微小領域の高速現象、繰り返し現象でない、同期がとれないような現象を撮影することができる。従来手法との比較を表１に示す。STEAMは、特許文献１及び非特許文献１に係る手法であり、非特許文献１に記載されたフレーム間隔は163nsである。
実験に用いた高速撮影システムでは、フレーム間隔（撮影速度に対応）：数百fs〜数十ps 露光時間：数百fs〜数十ps、撮影枚数：4〜6枚、解像度：300×300〜1024×1024、使用波長：780nm〜840nm、であるが、非限定的な範囲として、フレーム間隔：fs〜数十ns、露光時間：fs〜数十ns、撮影枚数：20枚程度、解像度：1024×1024、使用波長：可視光〜近赤外光、まで拡張可能である。なお、原理的には、本発明は、波動であれば、光（可視光〜近赤外光）に限らず、全電磁波領域（X線、THz、電波など）でも電子線でも適用可能である。 In the high-speed shooting system used in the experiment, the frame interval (corresponding to the shooting speed): hundreds of fs to several tens of ps Exposure time: several hundreds of fs to several tens of ps, number of shots: 4-6, resolution: 300 × 300- 1024 × 1024, working wavelength: 780 nm to 840 nm, but as a non-limiting range, frame interval: fs to several tens of ns, exposure time: fs to several tens of ns, number of shots: about 20, resolution: 1024 × 1024, usable wavelength: expandable from visible light to near infrared light. In principle, the present invention is applicable not only to light (visible light to near-infrared light) but also to all electromagnetic wave regions (X-rays, THz, radio waves, etc.) and electron beams as long as it is a wave. .
本発明に係る高速撮影システムは、広く使われている光学素子や機器で構成される照明系と検出系の組み合わせで構成することができる。システムの構築は容易で、かつ目的に応じて最適化できる柔軟性を備えている。既存の光学系や機器への適用、特に顕微鏡への組み込みも可能である。また、高速読み出しが可能な撮像素子と組み合わせることで、超高速現象をより長い時間捉えることができるハイグレードな高速ビデオカメラを構成することもできる。 The high-speed imaging system according to the present invention can be configured by a combination of an illumination system and a detection system composed of widely used optical elements and devices. The system is easy to build and has the flexibility to be optimized for the purpose. It can also be applied to existing optical systems and equipment, especially built into a microscope. Further, by combining with an image sensor capable of high-speed readout, a high-grade high-speed video camera that can capture the ultra-high-speed phenomenon for a longer time can be configured.
［Ｃ］実験例
［Ｃ−１］実験例１
図１５に基礎実験の結果を示す。左上図は、ストリークカメラを用いた光ファイバによる時間分散の評価を示す。波長によって時間差が生じていることがわかる。左下図は、整形されたパルス波形を示す。波形整形によって６つのパルス列が生成されていることがわかる。右図は、20psの時間差で光が対象（「４」、サイズ：約３mm）に到達するように設定して対象を撮影したものである。６つのパルス列の各パルス列によって画像が取得されていることがわかる。
[C] Experimental Example [C-1] Experimental Example 1
FIG. 15 shows the results of the basic experiment. The upper left figure shows the evaluation of time dispersion by optical fiber using a streak camera. It can be seen that there is a time difference depending on the wavelength. The lower left figure shows the shaped pulse waveform. It can be seen that six pulse trains are generated by waveform shaping. The figure on the right is a photograph of the subject set so that the light reaches the subject (“4”, size: about 3 mm) with a time difference of 20 ps. It can be seen that an image is acquired by each of the six pulse trains.
［Ｃ−１］実験例２
図１６は、テストターゲットの画像（冷却CCDカメラからの無修正の画像）である。左上画像、左中画像、左下画像、右上画像、右中画像、右下画像は、順に830-835nm、820-825nm、810-815nm、800-805nm、790-795nm、780-785nm、に対応しており、設定されたフレーム間隔は約20psである。視野は25mmで線は1.0cycles per mmで並んでいる。縦に６つ並んだ像は方向をずらすミラーにより二列に分けて投影されている。
[C-1] Experimental example 2
FIG. 16 is an image of a test target (an uncorrected image from a cooled CCD camera). Upper left image, middle left image, lower left image, upper right image, middle right image, lower right image correspond to 830-835nm, 820-825nm, 810-815nm, 800-805nm, 790-795nm, 780-785nm in order. The set frame interval is about 20 ps. The field of view is 25mm and the lines are aligned at 1.0cycles per mm. Six vertically arranged images are projected in two rows by a mirror that shifts the direction.
［Ｃ−３］実験例３
図１７〜図１９は、LiNbO3結晶へのレーザ打ち込み実験の結果を示す。レーザは、中心波長810nm、60 fs、40μJであり、LiNbO3結晶は厚さ0.5mmである。図１７〜図１９において、左下画像：0ps、左上画像:20ps、右下画像:40ps、右上画像:60ps、である。図１７は照射前、図１８は照射時、図１９は照射後を撮影したものである。図１７において、左下画像、左上画像では「跡なし」であるが、右下画像、右上画像では「アブレーション跡」が観察される。また、ポンプ光の時間をずらして撮影することで、アブレーション跡の写る画像が変わることを確認した。具体的には、ポンプ光の光路長を10ｍｍほど変化（約33psに相当）させて撮影することで、20psの画像から跡が残るよう撮影できた。
[C-3] Experimental Example 3
17 to 19 show the results of laser implantation experiments on LiNbO 3 crystals. The laser has a center wavelength of 810 nm, 60 fs, and 40 μJ, and the LiNbO 3 crystal has a thickness of 0.5 mm. 17 to 19, the lower left image is 0 ps, the upper left image is 20 ps, the lower right image is 40 ps, and the upper right image is 60 ps. FIG. 17 is a photograph before irradiation, FIG. 18 is a photograph during irradiation, and FIG. In FIG. 17, “no trace” is observed in the lower left image and the upper left image, but “ablation trace” is observed in the lower right image and the upper right image. In addition, it was confirmed that the image in which the ablation mark appears was changed by shooting with the pump light shifted in time. Specifically, by changing the optical path length of the pump light by about 10 mm (corresponding to about 33 ps), it was possible to shoot so as to leave a trace from the 20 ps image.
［Ｃ−４］実験例４
図１４に観察部に対物レンズを配置したシステムを示す。図示の態様では、SISから出射した光の光路中にミラーが配置され、光路を折り返している。図２０は、観察部に配置した対物レンズ（低倍率）を用いて50μm間隔のグリッドを観察した時の画像である。図２１は、観察部に配置した対物レンズ（高倍率）を用いて、10μm間隔のグリッドを観察した時の画像である。
[C-4] Experimental Example 4
FIG. 14 shows a system in which an objective lens is arranged in the observation unit. In the illustrated embodiment, a mirror is disposed in the optical path of the light emitted from the SIS, and the optical path is folded. FIG. 20 is an image when a grid with an interval of 50 μm is observed using an objective lens (low magnification) arranged in the observation unit. FIG. 21 is an image when a grid with an interval of 10 μm is observed using an objective lens (high magnification) arranged in the observation unit.
［Ｃ−４］実験例５
フォノンの伝播の観察を行った。プローブ光はパルス幅60fsのフェムト秒パルスをガラスパイプ（NSF10）を通すことでストレッチしたものを使い、波形整形器により４つのストロボ光を作成した。サンプルはLiNbO3結晶（厚さ：0.5mm）を用い、フェムト秒レーザパルス（中心波長810nm、パルス幅60fs、エネルギー：60μJ）をシリンドリカルレンズによりラインフォーカスさせることでフォノンを発生させた。図２２において、上が生データ、下が解析用に画像処理をした結果を示す。撮影間隔は1.5ps程度と見積もられる。
[C-4] Experimental Example 5
The propagation of phonons was observed. The probe light used was a stretch of femtosecond pulses with a pulse width of 60 fs that was passed through a glass pipe (NSF10), and four strobe lights were created using a waveform shaper. The sample was LiNbO3 crystal (thickness: 0.5 mm), and phonons were generated by line-focusing a femtosecond laser pulse (center wavelength 810 nm, pulse width 60 fs, energy: 60 μJ) with a cylindrical lens. In FIG. 22, the top shows raw data, and the bottom shows the result of image processing for analysis. The shooting interval is estimated to be about 1.5 ps.
超高速の動的現象の観察に関し、これまでは連続性、シングルショット性、そして超高速性のすべてを備えた有効な方法は存在しなかった。本発明に係るシステムは新しい超高速の動的観察を可能とするものであり、特に複雑現象の研究や高速顕微撮影の進展に大きく貢献するものである。本発明は、ピコ秒やナノ秒での超高速撮影を必要とする分野、例えば、化学反応や衝撃波、爆発、燃焼現象、微小領域で起こる現象のイメージング分野に利用することができる。本発明は速度の面でもエネルギ効率の面でも現在の技術限界に本質的に近いため、バイオロジカルな研究での顕微鏡下観察など、これまで観察不可能だった複雑な現象の研究に新しい進展を与え得るものである。本システムは多くの既存の光学系に組み込むことができるため、従来の観察にて広く応用されることが期待される。
Until now, there has been no effective method for observing ultrafast dynamic phenomena with all of continuity, single shot performance, and ultrafast performance. The system according to the present invention enables new ultrahigh-speed dynamic observation, and particularly contributes greatly to the research of complex phenomena and the progress of high-speed microscopic imaging. The present invention can be used in fields that require ultra-high-speed imaging in picoseconds or nanoseconds, for example, in the field of imaging chemical reactions, shock waves, explosions, combustion phenomena, or phenomena that occur in microscopic areas. Since the present invention is essentially close to the current technological limits in terms of speed and energy efficiency, new developments have been made in the study of complex phenomena that could not be observed before, such as observation under a microscope in biological research. It can be given. Since this system can be incorporated into many existing optical systems, it is expected to be widely applied in conventional observation.
Claims (13)
対象が配置される観察部と、
対象を透過ないし反射した光を検出する検出系と、
からなる高速撮影システムであって、
前記照明系は、波長の異なる複数の部分からなる照射光を用意し、当該照射光の各部分が、波長に対応した異なる時間で対象に入射するように構成されており、
前記観察部において、前記照射光が対象に照射され、対象を透過もしくは反射することで波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光が生成され、前記透過光あるいは前記反射光の各部分は、波長に対応した時間における対象の像情報をそれぞれ保持しており、
前記検出系は、
前記波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光を、像情報を保持したまま波長ごとに空間的に分離する光分離部と、
前記光分離部によって空間的に分離された光を、受光面上の異なる位置に入射させて検出する撮像素子と、
を備えている、
高速撮影システム。 An illumination system for generating illumination light for illuminating the object;
An observation part where the object is placed;
A detection system for detecting light transmitted through or reflected from the object;
A high-speed shooting system consisting of
The illumination system prepares irradiation light composed of a plurality of parts having different wavelengths, and each part of the irradiation light is configured to enter the target at different times corresponding to the wavelengths,
In the observation unit, the irradiation light is irradiated onto the object, and transmitted or reflected light including a plurality of parts having different wavelengths is generated by transmitting or reflecting the object, and each part of the transmitted light or the reflected light is , Each holding the image information of the object at the time corresponding to the wavelength,
The detection system is
A light separation unit that spatially separates transmitted light or reflected light composed of a plurality of parts having different wavelengths for each wavelength while retaining image information;
An image sensor for detecting the light spatially separated by the light separation unit by making it incident on different positions on the light receiving surface;
With
High-speed shooting system.
パルス光を出射する広帯域光源と、
パルス光のパルス幅を所定のパルス幅にストレッチする手段と、
を備えている、請求項１に記載の高速撮影システム。 The illumination system is
A broadband light source that emits pulsed light;
Means for stretching the pulse width of the pulsed light to a predetermined pulse width;
The high-speed imaging system according to claim 1, comprising:
ストレッチされたパルス光を、波長の異なる複数の部分からなるパルス列に成形する波形整形器を備えている、請求項２、３いずれか１項に記載の高速撮影システム。 The illumination system is
The high-speed imaging system according to claim 2, further comprising a waveform shaper that shapes the stretched pulse light into a pulse train including a plurality of portions having different wavelengths.
前記波形整形器により撮影速度、露光時間が設定される、
請求項４、５いずれか１項に記載の高速撮影システム。 The number of the plurality of parts having different wavelengths corresponds to the number of shots, the width of each part corresponds to the exposure time,
Shooting speed and exposure time are set by the waveform shaper,
The high-speed imaging system according to claim 4.
前記光学的分散素子は前記シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズの焦点面に配置されており、
前記複数対のミラー群は、当該４ｆ光学系のフーリエ面が各ミラー対の中心に位置し、当該４ｆ光学系を通過する透過光ないし反射光の光路長が等しくなるように配置されており、
前記光学的分散素子に入射した波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光は、波長に応じて空間的に分離され、ついで、前記シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズを介して前記複数対のミラー群によって空間的に複数個に分割され、同じミラー対で反射された光は前記シリンドリカルミラーまたはシリンドリカルレンズを介して前記光学的分散素子で結合されて、空間的に分離された波長の異なる複数の透過光あるいは反射光として出射される、
請求項１〜７いずれか１項に記載の高速撮影システム。 The light separation unit is a 4f optical system including an optical dispersion element, a cylindrical mirror or a cylindrical lens, and a plurality of pairs of mirror groups.
The optical dispersion element is disposed on a focal plane of the cylindrical mirror or the cylindrical lens;
The plurality of pairs of mirrors are arranged such that the Fourier plane of the 4f optical system is located at the center of each mirror pair, and the optical path lengths of transmitted light or reflected light passing through the 4f optical system are equal.
Transmitted light or reflected light composed of a plurality of portions having different wavelengths incident on the optical dispersion element is spatially separated according to the wavelength, and then the plurality of pairs of mirror groups via the cylindrical mirror or cylindrical lens. The light that has been spatially divided into a plurality of light beams and reflected by the same pair of mirrors is coupled by the optical dispersion element via the cylindrical mirror or cylindrical lens, and is separated into a plurality of spatially separated transmissions having different wavelengths. Emitted as light or reflected light,
The high-speed imaging system according to any one of claims 1 to 7.
前記照射光を対象に照射し、対象を透過もしくは反射することで波長の異なる複数の部分からなる透過光あるいは反射光を生成し、前記透過光あるいは反射光の各部分に、波長に対応した時間における対象の像情報をそれぞれ保持させるステップと、
前記透過光あるいは前記反射光を、像情報を保持したまま波長ごとに空間的に分離するステップと、
空間的に分離された光を、撮像素子の受光面上の異なる位置に入射させて検出するステップと、
を備えた、高速撮影方法。 Preparing irradiation light composed of a plurality of parts having different wavelengths;
A time corresponding to the wavelength is generated in each part of the transmitted light or reflected light by irradiating the target with the irradiation light and generating transmitted light or reflected light composed of a plurality of parts having different wavelengths by transmitting or reflecting the target. Holding each of the target image information in
Spatially separating the transmitted light or reflected light for each wavelength while retaining image information;
Detecting the spatially separated light by making it incident on different positions on the light receiving surface of the image sensor; and
A high-speed shooting method.
広帯域光源から出射されたパルス光を撮影時間に相当するパルス幅にストレッチするステップを備えている、請求項１１に記載の高速撮影方法。 The step of preparing the irradiation light consisting of a plurality of portions having different wavelengths is as follows:
The high-speed imaging method according to claim 11, comprising a step of stretching the pulsed light emitted from the broadband light source to a pulse width corresponding to the imaging time.
ストレッチされたパルス光を、波長の異なる複数の部分からなるパルス列に成形するステップを備えている、請求項１２に記載の高速撮影方法。
The step of preparing the irradiation light consisting of a plurality of portions having different wavelengths is as follows:
The high-speed imaging method according to claim 12, further comprising a step of shaping the stretched pulse light into a pulse train including a plurality of portions having different wavelengths.
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