JP7505698B2 - Signal processing device and signal processing method - Google Patents

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Description

特許法第30条第2項適用 平成31年 4月22日に、OPIC2019にて公開 令和1年 6月 3日に、Unconventional Computation and Natural Computation 2019にて公開 令和 1年 8月26日に、第13回 日本・フィンランド光工学合同シンポジウムにて公開 令和 1年 9月18日に、2019秋季 第80回応用物理学会学術講演会にて公開 令和 1年12月 2日に、日本光学会年次学術講演会にて公開 令和 2年 3月 6日に、Optical Reviewにて公開Application of Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act Published at OPIC2019 on April 22, 2019 Published at Unconventional Computation and Natural Computation 2019 on June 3, 2019 Published at the 13th Japan-Finland Joint Symposium on Optical Engineering on August 26, 2019 Published at the 80th Applied Physics Society Academic Lecture Meeting, Fall 2019 on September 18, 2019 Published at the Optical Society of Japan Annual Academic Lecture Meeting on December 2, 2019 Published at Optical Review on March 6, 2020

本発明は、信号処理装置及び信号処理方法に関する。 The present invention relates to a signal processing device and a signal processing method.

近年、蛍光粒子間の蛍光共鳴エネルギ移動(FRET:Fluorescence Resonance Energy Transfer)を利用した信号処理の実装により、微小サイズかつ低消費電力で計算を行う計算素子の開発が進められている(例えば、非特許文献1を参照)。In recent years, progress has been made in the development of computational elements that are tiny and can perform calculations with low power consumption by implementing signal processing that utilizes fluorescence resonance energy transfer (FRET) between fluorescent particles (see, for example, non-patent document 1).

T. Nishimura et al., Appl. Phys. Lett. 101, 233703 (2012)T. Nishimura et al., Appl. Phys. Lett. 101, 233703 (2012)

しかしながら、現在の微細加工技術では、大規模なFRET経路を設計通りに物理実装することは困難であるという問題点を有している。However, current microfabrication technology has the problem that it is difficult to physically implement large-scale FRET pathways as designed.

本発明は、大規模なFRET経路が物理実装された信号処理装置、及び信号処理方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to provide a signal processing device and a signal processing method in which a large-scale FRET path is physically implemented.

本発明の一態様に係る信号処理装置は、複数の蛍光粒子を含み、該複数の蛍光粒子を介したエネルギの移動経路が自律的かつランダムに定まるように構成された光エネルギネットワークと、前記光エネルギネットワークへ入力すべき入力信号に応じて、前記複数の蛍光粒子の少なくとも一部を励起させる信号入力部と、前記一部の蛍光粒子を励起させた後に、前記光エネルギネットワークから光信号を読み出す信号読出部と、該信号読出部により読み出した光信号に基づき、前記光エネルギネットワークによる演算結果を取得する取得部とを備える。A signal processing device according to one embodiment of the present invention includes an optical energy network including a plurality of fluorescent particles and configured so that the path of energy movement through the plurality of fluorescent particles is determined autonomously and randomly; a signal input unit that excites at least a portion of the plurality of fluorescent particles in response to an input signal to be input to the optical energy network; a signal readout unit that reads out an optical signal from the optical energy network after exciting the portion of the fluorescent particles; and an acquisition unit that acquires a calculation result from the optical energy network based on the optical signal read out by the signal readout unit.

本発明の一態様に係る信号処理方法は、複数の蛍光粒子によるエネルギの移動経路が自律的かつランダムに定まるように構成された光エネルギネットワークへの入力信号の入力に応じて、前記複数の蛍光粒子の少なくとも一部を励起させ、前記一部の蛍光粒子を励起させた後に、前記光エネルギネットワークから光信号を読み出し、読み出した光信号に基づき、前記光エネルギネットワークによる演算結果を取得する。A signal processing method according to one aspect of the present invention excites at least a portion of a plurality of fluorescent particles in response to an input signal to an optical energy network configured to autonomously and randomly determine an energy movement path through the plurality of fluorescent particles, reads an optical signal from the optical energy network after exciting the portion of the fluorescent particles, and obtains a calculation result from the optical energy network based on the read optical signal.

上記一態様によれば、大規模なFRET経路による光エネルギネットワークを用いて信号処理を実行できる。According to the above aspect, signal processing can be performed using an optical energy network with a large-scale FRET path.

本実施の形態に係る信号処理装置の構成を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing a configuration of a signal processing device according to an embodiment of the present invention; FRETネットワーク部の構成を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a FRET network portion. 学習フェーズにおいて本実施の形態に係る信号処理装置が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a procedure of a process executed by the signal processing device according to the present embodiment in a learning phase. 運用フェーズにおいて本実施の形態に係る信号処理装置が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a procedure of a process executed by a signal processing device according to the present embodiment in an operation phase. 実施の形態2におけるFRETネットワーク部の構成を示す模式図である。FIG. 11 is a schematic diagram showing the configuration of a FRET network section in embodiment 2. 蛍光強度の多様性を検証した検証結果を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the results of examining the diversity of fluorescence intensity. 蛍光寿命の多様性を検証した検証結果を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the results of examining the diversity of fluorescence lifetimes. 励起強度の違いによる蛍光寿命の多様性を検証した検証結果を説明する図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the results of examining the diversity of fluorescence lifetimes due to differences in excitation intensity.

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
(実施の形態1)
図1は本実施の形態に係る信号処理装置の構成を示す模式図であり、図2はFRETネットワーク部12の構成を示す模式図である。本実施の形態に係る信号処理装置は、FRETにより信号が伝達する光エネルギネットワークを利用して演算を行う装置であり、信号入力部11、FRETネットワーク部12、信号読出部13、制御部14、記憶部15、及び入出力部16を備える。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings showing embodiments thereof.
(Embodiment 1)
Fig. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a signal processing device according to this embodiment, and Fig. 2 is a schematic diagram showing the configuration of a FRET network section 12. The signal processing device according to this embodiment is a device that performs calculations by utilizing an optical energy network through which signals are transmitted by FRET, and includes a signal input section 11, a FRET network section 12, a signal readout section 13, a control section 14, a storage section 15, and an input/output section 16.

FRETネットワーク部12は、複数の蛍光粒子121,121,…,121が固体中、液体中又はアモルファス中にランダムに配置されたナノ構造体120により構成される。ここで、蛍光粒子121は、蛍光分子であってもよく、量子ドットとして機能する蛍光材料であってもよい。また、ナノ構造体120は積層構造を有してもよい。ナノ構造体120に配置する蛍光粒子121の数は、隣接する蛍光粒子121,121間の距離が10nm以下となるように調整される。例えば、体積が1μm3 程度のナノ構造体120には106 個程度の蛍光粒子121が配置される。蛍光粒子121には、励起ピークが550nm、蛍光ピークが570nmのCy3、励起ピークが649nm、蛍光ピークが670nmのCy5等が用いられる。 The FRET network section 12 is composed of a nanostructure 120 in which a plurality of fluorescent particles 121, 121, ..., 121 are randomly arranged in a solid, liquid, or amorphous state. Here, the fluorescent particles 121 may be fluorescent molecules or may be fluorescent materials that function as quantum dots. The nanostructure 120 may have a laminated structure. The number of fluorescent particles 121 arranged in the nanostructure 120 is adjusted so that the distance between adjacent fluorescent particles 121, 121 is 10 nm or less. For example, about 10 6 fluorescent particles 121 are arranged in a nanostructure 120 having a volume of about 1 μm 3 . For the fluorescent particles 121, Cy3 with an excitation peak of 550 nm and a fluorescence peak of 570 nm, Cy5 with an excitation peak of 649 nm and a fluorescence peak of 670 nm, or the like is used.

蛍光粒子121はナノ構造体120においてランダムに配置されるので、任意の2つの蛍光粒子121,121間の距離は様々であるが、その距離がおよそ10nm以下である場合、FRETが発生し得る。なお、FRETの発生条件は、2つの蛍光粒子121,121間の距離だけでなく、ドナー側の発光スペクトルとアクセプタ側の吸収スペクトルとの重なりが大きいこと、2つの蛍光粒子121,121が適切な配向をとっていること、ドナー側の蛍光量子収率が大きく、かつ、アクセプタの吸収強度が大きいことが挙げられる。このようなナノ構造体120を用いることにより、FRETネットワーク部12では、蛍光粒子121,121間をエネルギが移動する経路は自律的かつランダムに定まる。すなわち、ナノ構造体120における蛍光粒子121,121,…,121は、FRETにより信号が伝達する光エネルギネットワークを構築する。 Since the fluorescent particles 121 are randomly arranged in the nanostructure 120, the distance between any two fluorescent particles 121, 121 varies, but FRET can occur when the distance is approximately 10 nm or less. The conditions for FRET occurrence include not only the distance between the two fluorescent particles 121, 121, but also a large overlap between the emission spectrum on the donor side and the absorption spectrum on the acceptor side, the two fluorescent particles 121, 121 being appropriately oriented, the fluorescence quantum yield on the donor side being large, and the absorption intensity of the acceptor being large. By using such a nanostructure 120, the path along which energy moves between the fluorescent particles 121, 121 in the FRET network section 12 is determined autonomously and randomly. That is, the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 in the nanostructure 120 construct an optical energy network through which signals are transmitted by FRET.

信号入力部11は、入力信号に応じて、蛍光粒子121,121,…,121の少なくとも一部を励起させる。入力信号は、信号処理装置において演算対象となる信号であり、制御部14の内部にて生成されてもよく、入出力部16を通じて外部から入力されてもよい。信号入力部11は、入力信号に応じて調整された変調パラメータに従って、ナノ構造体120へ照射すべき光の波長及び時系列光強度を制御し、波長及び時系列光強度を制御した光(以下、励起光という)をナノ構造体120の特定の照射領域へ照射する。変調方法は任意であり、予め設定したルールに従って変調されればよい。また、励起光を照射する照射領域は予め設定される。励起光が照射された場合、照射領域に含まれる蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態は、例えば基底状態から励起状態へ遷移する。The signal input unit 11 excites at least a part of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 in response to an input signal. The input signal is a signal to be calculated in the signal processing device, and may be generated inside the control unit 14 or may be input from the outside through the input/output unit 16. The signal input unit 11 controls the wavelength and time-series light intensity of the light to be irradiated to the nanostructure 120 according to the modulation parameters adjusted in response to the input signal, and irradiates a specific irradiation area of the nanostructure 120 with light whose wavelength and time-series light intensity are controlled (hereinafter referred to as excitation light). The modulation method is arbitrary, and it is sufficient that the modulation is performed according to a preset rule. In addition, the irradiation area to which the excitation light is irradiated is set in advance. When the excitation light is irradiated, the energy state of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 included in the irradiation area transitions, for example, from the ground state to the excited state.

蛍光粒子121,121,…,121の一部が励起状態へ遷移した場合、上述した条件を満たす2つの蛍光粒子121,121間でFRETが発生する。すなわち、ドナー側の蛍光粒子121からアクセプタ側の蛍光粒子121へ励起エネルギが移動する。このような2つの蛍光粒子121,121間のFRETは、ナノ構造体120を構成する蛍光粒子121,121,…,121において次々に発生する。よって、信号入力部11によって励起光がナノ構造体120に照射された後、ナノ構造体120を構成する各蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態は、発生条件を満たす他の蛍光粒子121からのFRETによって自律的に変化し、演算結果を表す状態へと変化する。When some of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 transition to an excited state, FRET occurs between two fluorescent particles 121, 121 that satisfy the above-mentioned conditions. That is, excitation energy is transferred from the fluorescent particle 121 on the donor side to the fluorescent particle 121 on the acceptor side. Such FRET between two fluorescent particles 121, 121 occurs one after another in the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 that constitute the nanostructure 120. Therefore, after the signal input unit 11 irradiates the nanostructure 120 with excitation light, the energy state of each fluorescent particle 121, 121, ..., 121 that constitutes the nanostructure 120 autonomously changes due to FRET from other fluorescent particles 121 that satisfy the generation condition, and changes to a state that represents the calculation result.

信号読出部13は、信号入力部11から励起光を照射した後、各蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態が演算結果を表す状態に変化したタイミング以降(例えば、励起光を照射してから10-12 秒程度が経過したタイミング以降)でFRETネットワーク部12から信号を読み出す。信号読出部13は、分光器を用いて波長分解計測/時間分解計測を行うことにより、FRETネットワーク部12から信号を読み出すことができる。FRETネットワーク部12から信号を読み出す手法は、公知の手法を用いることができる。また、信号読出部13が信号を読み出す読出領域は、ナノ構造体120の全領域を設定してもよく、ナノ構造体120の一部の領域を設定してもよい。信号読出部13によって読み出される信号は、読出領域に含まれる蛍光粒子121,121,…,121から得られる蛍光スペクトルの信号である。信号読出部13は、FRETネットワーク部12から読み出した信号を制御部14へ出力する。 The signal readout unit 13 reads out a signal from the FRET network unit 12 after the excitation light is irradiated from the signal input unit 11 and the energy state of each fluorescent particle 121, 121, ..., 121 changes to a state that represents the calculation result (for example, after about 10 -12 seconds have passed since the excitation light was irradiated). The signal readout unit 13 can read out a signal from the FRET network unit 12 by performing wavelength-resolved measurement/time-resolved measurement using a spectrometer. A known method can be used to read out a signal from the FRET network unit 12. In addition, the readout region from which the signal readout unit 13 reads out a signal may be set to the entire region of the nanostructure 120, or may be set to a partial region of the nanostructure 120. The signal readout by the signal readout unit 13 is a signal of a fluorescence spectrum obtained from the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 included in the readout region. The signal readout section 13 outputs the signal read out from the FRET network section 12 to the control section 14 .

制御部14は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)等を備える。制御部14のCPUは、ROM又は記憶部15に記憶された各種コンピュータプログラムを実行することにより、ハードウェア各部の動作の制御及び各種の演算を実行し、装置全体を本願の信号処理装置として機能させる。制御部14のRAMは、各種コンピュータプログラムの実行中に生成されるデータ等を一時的に記憶する。The control unit 14 includes a CPU (Central Processing Unit), a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), etc. The CPU of the control unit 14 executes various computer programs stored in the ROM or the storage unit 15 to control the operation of each part of the hardware and execute various calculations, causing the entire device to function as the signal processing device of the present application. The RAM of the control unit 14 temporarily stores data, etc., generated during the execution of the various computer programs.

制御部14が実行する演算は、信号読出部13がFRETネットワーク部12から読み出す信号と、FRETネットワーク部12による演算結果との関係を学習する演算、および、学習演算の結果を利用して、FRETネットワーク部12が読み出した信号から演算結果を導出する演算を含む。これらの演算については、後に詳述することとする。The calculations executed by the control unit 14 include a calculation to learn the relationship between the signal read by the signal readout unit 13 from the FRET network unit 12 and the calculation result by the FRET network unit 12, and a calculation to derive the calculation result from the signal read out by the FRET network unit 12 using the result of the learning calculation. These calculations will be described in detail later.

なお、制御部14は、上記の構成に限定されるものではなく、1又は複数のCPU、マルチコアCPU、GPU(Graphics Processing Unit)、マイコン等を含む任意の処理回路であればよい。また、制御部14は、日時情報を出力するクロック、計測開始指示を与えてから計測終了指示を与えるまでの経過時間を計測するタイマ、数をカウントするカウンタ等の機能を備えていてもよい。The control unit 14 is not limited to the above configuration, and may be any processing circuit including one or more CPUs, a multi-core CPU, a GPU (Graphics Processing Unit), a microcomputer, etc. The control unit 14 may also have functions such as a clock that outputs date and time information, a timer that measures the elapsed time from when an instruction to start measurement is given to when an instruction to end measurement is given, and a counter that counts numbers.

記憶部15は、メモリやHDD(Hard Disk Drive)などを用いた記憶装置を備える。記憶部15には、制御部14によって実行される各種コンピュータプログラム、コンピュータプログラムの実行に必要なデータ、制御部14による演算結果等が記憶される。記憶部15に記憶されるコンピュータプログラムは、信号読出部13がFRETネットワーク部12から読み出す信号と入力信号に対する出力として取得すべき演算結果との関係を学習するための学習プログラム、及び、学習結果に基づき、FRETネットワーク部12から信号読出部13が読み出した信号を演算結果に変換するための計算プログラム等を含む。The storage unit 15 includes a storage device using a memory, a hard disk drive (HDD), etc. The storage unit 15 stores various computer programs executed by the control unit 14, data necessary for executing the computer programs, calculation results by the control unit 14, etc. The computer programs stored in the storage unit 15 include a learning program for learning the relationship between the signal read by the signal readout unit 13 from the FRET network unit 12 and the calculation result to be obtained as the output for the input signal, and a calculation program for converting the signal read out by the signal readout unit 13 from the FRET network unit 12 into a calculation result based on the learning result, etc.

なお、記憶部15に記憶されるコンピュータプログラムは、当該コンピュータプログラムを読み取り可能に記録した非一時的な記録媒体により提供されてもよい。記録媒体は、例えば、CD-ROM、USBメモリ、SD(Secure Digital)カード、マイクロSDカード、コンパクトフラッシュ(登録商標)などの可搬型メモリである。この場合、制御部14は、不図示の読取装置を用いて記録媒体からコンピュータプログラムを読み取り、読み取ったコンピュータプログラムを記憶部15にインストールすることが可能である。また、記憶部15に記憶されるコンピュータプログラムは通信により提供されてもよい。この場合、制御部14は、不図示の外部サーバと通信を行うことによってコンピュータプログラムを取得し、取得したコンピュータプログラムを記憶部15にインストールすることができる。The computer program stored in the memory unit 15 may be provided by a non-transitory recording medium on which the computer program is recorded in a readable manner. The recording medium is, for example, a portable memory such as a CD-ROM, a USB memory, a Secure Digital (SD) card, a micro SD card, or a CompactFlash (registered trademark). In this case, the control unit 14 can read the computer program from the recording medium using a reading device (not shown) and install the read computer program in the memory unit 15. The computer program stored in the memory unit 15 may also be provided by communication. In this case, the control unit 14 can acquire the computer program by communicating with an external server (not shown) and install the acquired computer program in the memory unit 15.

入出力部16は、各種情報を入出力するためのインタフェースを備える。入出力部16は、キーボード、マウス等の入力デバイスを接続するインタフェースを備え、接続された入力デバイスを通じてユーザの指示を受け付けてもよい。また、入出力部16は、外部コンピュータを接続するインタフェースを備え、接続された外部コンピュータから出力される信号が入力されてもよい。更に、入出力部16は、液晶ディスプレイ、有機EL(Electro-Luminescence)ディスプレイ等の出力デバイスを接続するインタフェースを備え、制御部14による演算結果等を出力デバイスへ出力してもよい。The input/output unit 16 has an interface for inputting and outputting various information. The input/output unit 16 may have an interface for connecting an input device such as a keyboard or a mouse, and may receive user instructions through the connected input device. The input/output unit 16 may also have an interface for connecting an external computer, and may input a signal output from the connected external computer. Furthermore, the input/output unit 16 may have an interface for connecting an output device such as a liquid crystal display or an organic EL (Electro-Luminescence) display, and may output the results of calculations by the control unit 14 to the output device.

以下、本実施の形態に係る信号処理装置の動作について説明する。
図3は学習フェーズにおいて本実施の形態に係る信号処理装置が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。信号処理装置の制御部14は、学習が行われていない初期状態において、以下の処理を実行することにより、信号読出部13がFRETネットワーク部12から読み出す信号と、FRETネットワーク部12による演算結果との関係を学習する。また、入出力部16を通じてユーザの指示を受付けた場合、制御部14は、以下の処理を実行することにより、信号読出部13がFRETネットワーク部12から読み出す信号と、FRETネットワーク部12による演算結果との関係を再学習してもよい。
The operation of the signal processing device according to this embodiment will be described below.
3 is a flow chart for explaining the procedure of the process executed by the signal processing device according to this embodiment in the learning phase. In an initial state in which no learning has been performed, the control unit 14 of the signal processing device executes the following process to learn the relationship between the signal read out from the FRET network unit 12 by the signal readout unit 13 and the calculation result by the FRET network unit 12. Furthermore, when a user's instruction is received through the input/output unit 16, the control unit 14 may execute the following process to re-learn the relationship between the signal read out from the FRET network unit 12 by the signal readout unit 13 and the calculation result by the FRET network unit 12.

制御部14は、演算対象となる入力信号が入力された場合、信号入力部11を制御することによって、FRETネットワーク部12を構成する蛍光粒子121,121,…,121の少なくとも一部を励起させる(ステップS101)。演算対象となる入力信号は、入出力部16を通じて制御部14に入力されてもよく、制御部14の内部にて生成されてもよい。制御部14は、演算対象の入力信号に応じて変調パラメータを生成し、生成した変調パラメータに従って照射すべき励起光の波長及び時系列光強度を制御する。信号入力部11は、制御部14によって生成される変調パラメータに基づき波長及び時系列光強度が制御された励起光をFRETネットワーク部12の予め定められた照射領域へ照射する。When an input signal to be calculated is input, the control unit 14 excites at least a portion of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 that constitute the FRET network unit 12 by controlling the signal input unit 11 (step S101). The input signal to be calculated may be input to the control unit 14 through the input/output unit 16, or may be generated inside the control unit 14. The control unit 14 generates modulation parameters according to the input signal to be calculated, and controls the wavelength and time-series light intensity of the excitation light to be irradiated according to the generated modulation parameters. The signal input unit 11 irradiates a predetermined irradiation area of the FRET network unit 12 with excitation light whose wavelength and time-series light intensity are controlled based on the modulation parameters generated by the control unit 14.

励起光の照射によって、照射領域に含まれる蛍光粒子のエネルギ状態は、例えば基底状態から励起状態へ遷移する。蛍光粒子121,121,…,121の一部が励起状態へ遷移した場合、発生条件を満たす2つの蛍光粒子121,121間でFRETが発生する。蛍光粒子121,121間のFRETは、ナノ構造体120を構成する蛍光粒子121,121,…,121において次々に発生し、ナノ構造体120の全体に伝わる。すなわち、蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態はFRETによって自律的に変化し、演算結果を表す状態へと変化する。 By irradiating the excitation light, the energy state of the fluorescent particles contained in the irradiated area transitions, for example, from the ground state to an excited state. When some of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 transition to the excited state, FRET occurs between two fluorescent particles 121, 121 that satisfy the generation condition. FRET between the fluorescent particles 121, 121 occurs one after another in the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 that make up the nanostructure 120, and is transmitted to the entire nanostructure 120. In other words, the energy state of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 changes autonomously due to FRET, and changes to a state that represents the calculation result.

次いで、信号読出部13は、FRETネットワーク部12から信号の読み出しを行う(ステップS102)。この信号の読み出しは、蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態が演算結果を表す状態に変化したタイミング以降(例えば、励起光を照射してから10-12 秒程度が経過したタイミング以降)にて行えばよい。信号読出部13は、分光器を用いて波長分解計測/時間分解計測を行うことにより、FRETネットワーク部12から信号を読み出すことができる。FRETネットワーク部12から読み出された信号は、制御部14へ出力される。 Next, the signal readout unit 13 reads out the signal from the FRET network unit 12 (step S102). This signal readout may be performed after the timing when the energy state of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 changes to a state that represents the calculation result (for example, after the timing when about 10 -12 seconds have passed since the irradiation of the excitation light). The signal readout unit 13 can read out the signal from the FRET network unit 12 by performing wavelength-resolved measurement/time-resolved measurement using a spectrometer. The signal readout from the FRET network unit 12 is output to the control unit 14.

次いで、制御部14は、信号読出部13によって読み出される信号と、入力信号に対する理想的な出力を示す教師信号とに基づき設定されるコスト関数を算出する(ステップS103)。コスト関数L({ki })は、例えば、次式により表される。 Next, the control unit 14 calculates a cost function that is set based on the signal read by the signal read unit 13 and a teacher signal that indicates an ideal output for the input signal (step S103). The cost function L({k i }) is expressed by, for example, the following equation.

Figure 0007505698000001
Figure 0007505698000001

ここで、xi (i=1,2,3,…)は入力信号、yi (t,λ)は信号読出部13がFRETネットワーク部12から読み出した信号を表している。f(xi )は、入力信号xi に対して理想的な出力を示す教師信号を表す。また、信号yi (t,λ)に対応する演算結果は、F(yi (t,λ),{ki })のように記述することができる。ここで、F(…)は信号yi (t,λ)を演算結果に変換するための関数である。F(…)は、線形関数であってもよく、非線形関数であってもよい。{ki }は、関数F(…)を用いて、信号yi (t,λ)を演算結果に変換する際に用いられるパラメータである。パラメータ{ki }は、学習によって調整される。 Here, x i (i=1, 2, 3, ...) represents the input signal, and y i (t, λ) represents the signal read out by the signal readout unit 13 from the FRET network unit 12. f(x i ) represents a teacher signal that shows an ideal output for the input signal x i . Furthermore, the calculation result corresponding to the signal y i (t, λ) can be described as F(y i (t, λ), {k i }). Here, F(...) is a function for converting the signal y i (t, λ) into the calculation result. F(...) may be a linear function or a nonlinear function. {k i } is a parameter used when converting the signal y i (t, λ) into the calculation result using the function F(...). The parameter {k i } is adjusted by learning.

なお、コスト関数は数1の式に限定されるものではなく、例えば、次式で表されるコスト関数を用いてもよい。 Note that the cost function is not limited to the formula in equation 1, and for example, a cost function expressed by the following formula may be used.

Figure 0007505698000002
Figure 0007505698000002

次いで、制御部14は、算出したコスト関数L({ki })の値が閾値ε以下であるか否かを判断する(ステップS104)。ここで、閾値εは、コスト関数L({ki })が収束したか否かを判定するための閾値であり、適宜の微小な値が設定される。 Next, the control unit 14 judges whether the calculated value of the cost function L({k i }) is equal to or smaller than a threshold ε (step S104). Here, the threshold ε is a threshold for judging whether the cost function L({k i }) has converged, and is set to an appropriate small value.

算出したコスト関数Lの値が閾値ε以下でないと判断した場合(S104:NO)、制御部14は、パラメータ{ki }を変更する(ステップS105)。例えば、制御部14は、ステップS103で算出されるコスト関数Lの値を保持しておき、今回算出したコスト関数L({ki })の値Ln が、前回算出したコスト関数L({ki })の値Ln-1 よりも小さくなるように、勾配法を用いてパラメータ{xi }を変更してもよい。パラメータ{xi }を変更した後、制御部14は、処理をステップS101へ戻す。 When it is determined that the calculated value of the cost function L is not equal to or less than the threshold value ε (S104: NO), the control unit 14 changes the parameter {k i } (step S105). For example, the control unit 14 may hold the value of the cost function L calculated in step S103, and change the parameter {x i } using a gradient method so that the value L n of the currently calculated cost function L({k i }) is smaller than the value L n-1 of the previously calculated cost function L({k i }). After changing the parameter {x i }, the control unit 14 returns the process to step S101.

一方、算出したコスト関数L({ki })の値が閾値ε以下であると判断した場合(S104:YES)、制御部14は、そのときのパラメータ{ki }の値を、運用フェーズで用いるパラメータ{ki }として決定する(ステップS106)。制御部14は、決定した{ki }を記憶部15に記憶させ、本フローチャートによる処理を終了する。 On the other hand, if it is determined that the calculated value of the cost function L({k i }) is equal to or less than the threshold ε (S104: YES), the control unit 14 determines the value of the parameter {k i } at that time as the parameter {k i } to be used in the operation phase (step S106). The control unit 14 stores the determined {k i } in the storage unit 15, and ends the processing according to this flowchart.

図4は運用フェーズにおいて本実施の形態に係る信号処理装置が実行する処理の手順を説明するフローチャートである。信号処理装置の制御部14は、学習が完了した後の運用フェーズにおいて、以下の処理を実行することにより、信号読出部13から読み出した信号からFRETネットワーク部12の演算結果を取得する。 Figure 4 is a flowchart explaining the procedure of the processing executed by the signal processing device of this embodiment in the operation phase. In the operation phase after learning is completed, the control unit 14 of the signal processing device executes the following processing to obtain the calculation result of the FRET network unit 12 from the signal read out from the signal readout unit 13.

制御部14は、学習フェーズと同様に、演算対象となる入力信号が入力された場合、信号入力部11を制御することによって、FRETネットワーク部12を構成する蛍光粒子121,121,…,121の少なくとも一部を励起させる(ステップS201)。演算対象となる入力信号は、入出力部16を通じて制御部14に入力されてもよく、制御部14の内部にて生成されてもよい。制御部14は、演算対象の入力信号に応じて変調パラメータを生成し、生成した変調パラメータに従って照射すべき励起光の波長及び時系列光強度を制御する。信号入力部11は、制御部14によって生成される変調パラメータに基づき波長及び時系列光強度が制御された励起光をFRETネットワーク部12の予め定められた照射領域へ照射する。 When an input signal to be calculated is input, the control unit 14 excites at least a part of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 constituting the FRET network unit 12 by controlling the signal input unit 11, as in the learning phase (step S201). The input signal to be calculated may be input to the control unit 14 through the input/output unit 16, or may be generated inside the control unit 14. The control unit 14 generates modulation parameters according to the input signal to be calculated, and controls the wavelength and time-series light intensity of the excitation light to be irradiated according to the generated modulation parameters. The signal input unit 11 irradiates a predetermined irradiation area of the FRET network unit 12 with excitation light whose wavelength and time-series light intensity are controlled based on the modulation parameters generated by the control unit 14.

励起光の照射によって、照射領域に含まれる蛍光粒子のエネルギ状態は、例えば基底状態から励起状態へ遷移する。蛍光粒子121,121,…,121の一部が励起状態へ遷移した場合、発生条件を満たす2つの蛍光粒子121,121間でFRETが発生する。蛍光粒子121,121間のFRETは、ナノ構造体120を構成する蛍光粒子121,121,…,121において次々に発生し、ナノ構造体120の全体に伝わる。すなわち、蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態はFRETによって自律的に変化し、演算結果を表す状態へと変化する。 By irradiating the excitation light, the energy state of the fluorescent particles contained in the irradiated area transitions, for example, from the ground state to an excited state. When some of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 transition to the excited state, FRET occurs between two fluorescent particles 121, 121 that satisfy the generation condition. FRET between the fluorescent particles 121, 121 occurs one after another in the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 that make up the nanostructure 120, and is transmitted to the entire nanostructure 120. In other words, the energy state of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 changes autonomously due to FRET, and changes to a state that represents the calculation result.

次いで、信号読出部13は、FRETネットワーク部12から信号の読み出しを行う(ステップS202)。この信号の読み出しは、蛍光粒子121,121,…,121のエネルギ状態が演算結果を表す状態に変化したタイミング以降(例えば、励起光を照射してから10-12 秒程度が経過したタイミング以降)にて行えばよい。信号読出部13は、分光器を用いて波長分解計測/時間分解計測を行うことにより、FRETネットワーク部12から信号を読み出すことができる。FRETネットワーク部12から読み出された信号は、制御部14へ出力される。 Next, the signal readout unit 13 reads out the signal from the FRET network unit 12 (step S202). This signal readout may be performed after the timing when the energy state of the fluorescent particles 121, 121, ..., 121 changes to a state that represents the calculation result (for example, after the timing when about 10 -12 seconds have passed since the irradiation of the excitation light). The signal readout unit 13 can read out the signal from the FRET network unit 12 by performing wavelength-resolved measurement/time-resolved measurement using a spectrometer. The signal readout from the FRET network unit 12 is output to the control unit 14.

次いで、制御部14は、信号読出部13から出力される信号に基づき、FRETネットワーク部12による演算結果を導出する(ステップS203)。このとき、制御部14は、学習フェーズにおいて決定したパラメータ{ki }を読み出し、パラメータ{ki }により記述される関数F(y,{ki })へ信号yi(t,λ)信号入力することによって、FRETネットワーク部12による演算結果を導出する。制御部14は、入出力部16を通じて、導出した演算結果を出力する(ステップS204)。 Next, the control unit 14 derives the calculation result by the FRET network unit 12 based on the signal output from the signal readout unit 13 (step S203). At this time, the control unit 14 reads out the parameters {k i } determined in the learning phase, and inputs the signal y i (t, λ) to the function F(y, {k i }) described by the parameters {k i }, thereby deriving the calculation result by the FRET network unit 12. The control unit 14 outputs the derived calculation result via the input/output unit 16 (step S204).

以上のように、本実施の形態に係る信号処理装置では、FRETネットワーク部12が有する蛍光粒子121の物理的性質を直接的に演算に用いているので、電気信号を用いた従来の計算装置と比較し、小型化及び低消費電力化を実現することができる。As described above, in the signal processing device of this embodiment, the physical properties of the fluorescent particles 121 possessed by the FRET network portion 12 are directly used for calculations, thereby making it possible to achieve smaller size and lower power consumption compared to conventional computing devices that use electrical signals.

(実施の形態2)
実施の形態2では、FRETネットワーク部12の空間ダイナミクスを利用した信号処理装置について説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, a signal processing device that utilizes the spatial dynamics of the FRET network section 12 will be described.

図5は実施の形態2におけるFRETネットワーク部12の構成を示す模式図である。実施の形態2におけるFRETネットワーク部12のナノ構造体120は、第1層120A~第3層120Cを積層した積層構造を有する。第1層120Aは、例えば蛍光波長が540nmの蛍光粒子121Aを含み、第2層120Bは、例えば蛍光波長が580nmの蛍光粒子121Bを含み、第3層120Cは、例えば蛍光波長が620nmの蛍光粒子121Cを含む。これらの各層120A~120Cは、蛍光粒子121A~121Cを含有したポリマー溶剤をカバーガラス上でスピンコート後に硬化することによって形成される。蛍光粒子121Aは、第1層120Aの内部にてランダムに配置される。同様に、蛍光粒子121Bは、第2層120Bの内部にてランダムに配置され、蛍光粒子121Cは、第3層120Cの内部にてランダムに配置される。なお、図5では3層構造のナノ構造体120を例に挙げて説明したが、ナノ構造体120は、2層又は4層以上の積層体であってもよい。また、ナノ構造体120は、層構造を持たず、蛍光粒子121A,121B,121Cがランダムに配置された構造であってもよい。ランダムに配置される蛍光粒子の種類は3種類に限らず、2種類又は4種類以上であってもよい。 Figure 5 is a schematic diagram showing the configuration of the FRET network section 12 in the second embodiment. The nanostructure 120 of the FRET network section 12 in the second embodiment has a laminated structure in which the first layer 120A to the third layer 120C are laminated. The first layer 120A contains fluorescent particles 121A having a fluorescent wavelength of, for example, 540 nm, the second layer 120B contains fluorescent particles 121B having a fluorescent wavelength of, for example, 580 nm, and the third layer 120C contains fluorescent particles 121C having a fluorescent wavelength of, for example, 620 nm. Each of these layers 120A to 120C is formed by spin-coating a polymer solvent containing the fluorescent particles 121A to 121C on a cover glass and then curing it. The fluorescent particles 121A are randomly arranged inside the first layer 120A. Similarly, fluorescent particles 121B are randomly arranged inside second layer 120B, and fluorescent particles 121C are randomly arranged inside third layer 120C. Although the three-layered nanostructure 120 has been described as an example in FIG. 5, nanostructure 120 may be a laminate of two layers or four or more layers. Nanostructure 120 may not have a layered structure, and may have a structure in which fluorescent particles 121A, 121B, and 121C are randomly arranged. The types of fluorescent particles randomly arranged are not limited to three types, and may be two types or four or more types.

図5に示すナノ構造体120において、蛍光波長が540nmの蛍光粒子121Aから蛍光波長580nmの蛍光粒子121Bへのエネルギ移動は許容され、その逆方向への移動は禁止される。同様に、蛍光波長が580nmの蛍光粒子121Bから蛍光波長620nmの蛍光粒子121Cへのエネルギ移動は許容され、その逆方向への移動は禁止される。したがって、第1層120Aの側からナノ構造体120に励起光を照射し、第1層120A内の蛍光粒子121Aを励起した場合、そのエネルギ状態は、第1層120A内の蛍光粒子121A、第2層120B内の蛍光粒子121B、第3層120C内の蛍光粒子121Cの順に順次伝わる。蛍光粒子121Cが発する蛍光は、ナノ構造体120の第3層120Cの側から観測可能である。In the nanostructure 120 shown in FIG. 5, energy transfer from fluorescent particle 121A with a fluorescent wavelength of 540 nm to fluorescent particle 121B with a fluorescent wavelength of 580 nm is permitted, and transfer in the reverse direction is prohibited. Similarly, energy transfer from fluorescent particle 121B with a fluorescent wavelength of 580 nm to fluorescent particle 121C with a fluorescent wavelength of 620 nm is permitted, and transfer in the reverse direction is prohibited. Therefore, when excitation light is irradiated onto the nanostructure 120 from the first layer 120A side to excite fluorescent particle 121A in the first layer 120A, the energy state is transmitted in the order of fluorescent particle 121A in the first layer 120A, fluorescent particle 121B in the second layer 120B, and fluorescent particle 121C in the third layer 120C. The fluorescence emitted by fluorescent particle 121C can be observed from the third layer 120C side of the nanostructure 120.

蛍光粒子121A~121Cは、各層内においてランダムに配置されるので、励起光の照射面積が同じであっても、エネルギ移動に寄与する蛍光粒子121A~121Cの数は、励起光を照射する場所によって異なる。例えば、図5に示す照射領域111,112,113にそれぞれ励起光を照射し、観測領域131,132,133のそれぞれにおいて蛍光を観測した場合、各領域においてエネルギ移動に寄与する蛍光粒子121A~121Cの数は異なるので、観測結果として得られる蛍光強度及び蛍光寿命は各領域において異なることが予想される。 Since the fluorescent particles 121A-121C are randomly arranged within each layer, even if the irradiation area of the excitation light is the same, the number of fluorescent particles 121A-121C contributing to the energy transfer will differ depending on the location where the excitation light is irradiated. For example, if excitation light is irradiated to each of the irradiation areas 111, 112, and 113 shown in Figure 5 and fluorescence is observed in each of the observation areas 131, 132, and 133, the number of fluorescent particles 121A-121C contributing to the energy transfer will differ in each area, and therefore the fluorescence intensity and fluorescence lifetime obtained as the observation result will be expected to differ in each area.

図6は蛍光強度の多様性を検証した検証結果を説明する図である。図6は、図5に示すナノ構造体120の異なる領域に励起光を照射し、それぞれにおいて蛍光強度を観測した結果を示している。照射領域111,112,113は、直径16μmの円形領域とした。各照射領域111,112,113に対応する観測領域131,132,133は、一辺が1μmの正方形領域とした。各領域間の間隔は、100μmとした。照射領域111,112,113に照射する励起光には、515nmの波長を有するレーザ光を用いた。本実施の形態では、分光器を用いて波長分解計測を行うことにより、蛍光強度の多様性を検証した。 Figure 6 is a diagram explaining the results of verifying the diversity of fluorescence intensity. Figure 6 shows the results of irradiating different areas of the nanostructure 120 shown in Figure 5 with excitation light and observing the fluorescence intensity in each area. The irradiation areas 111, 112, and 113 were circular areas with a diameter of 16 μm. The observation areas 131, 132, and 133 corresponding to each irradiation area 111, 112, and 113 were square areas with one side measuring 1 μm. The spacing between each area was 100 μm. Laser light having a wavelength of 515 nm was used as the excitation light irradiated to the irradiation areas 111, 112, and 113. In this embodiment, the diversity of fluorescence intensity was verified by performing wavelength-resolved measurement using a spectroscope.

各観測領域131,132,133において観測される蛍光強度の波長依存性は、図6の右欄に示すグラフのようになった。各グラフの横軸は波長(nm)を示し、縦軸は蛍光強度(任意目盛り)を示している。各観測領域131,132,133において観測される蛍光強度は、540nm,580nm,620nm付近にピークを有しており、蛍光粒子間でエネルギ移動が生じていることが分かる。また、図6に示すグラフから、蛍光強度の波長依存性は観測領域131,132,133に応じて相違することが分かる。蛍光強度の相違は、各領域内における蛍光粒子121A,121B,121Cの密度の相違に由来するものであると推察される。The wavelength dependence of the fluorescence intensity observed in each observation region 131, 132, 133 is shown in the graph in the right column of FIG. 6. The horizontal axis of each graph indicates wavelength (nm), and the vertical axis indicates fluorescence intensity (arbitrary scale). The fluorescence intensity observed in each observation region 131, 132, 133 has peaks near 540 nm, 580 nm, and 620 nm, indicating that energy transfer occurs between fluorescent particles. In addition, the graph in FIG. 6 indicates that the wavelength dependence of the fluorescence intensity differs depending on the observation region 131, 132, 133. It is presumed that the difference in fluorescence intensity is due to the difference in density of the fluorescent particles 121A, 121B, and 121C in each region.

このように、観測領域131,132,133に応じて多彩な蛍光スペクトルが得られるので、上述したナノ構造体120をリザーバに応用可能であることが示唆される。すなわち、信号処理装置は、入力信号に空間変調パターンを持たせ、第1層120Aに含まれる蛍光粒子121Aを選択的に励起させた後に、FRETネットワーク部12の空間ダイナミクスに応じて定まる信号を読み出せばよい。In this way, various fluorescence spectra are obtained depending on the observation regions 131, 132, and 133, suggesting that the above-mentioned nanostructure 120 can be applied to a reservoir. That is, the signal processing device can provide a spatial modulation pattern to the input signal, selectively excite the fluorescent particles 121A contained in the first layer 120A, and then read out a signal determined according to the spatial dynamics of the FRET network portion 12.

(実施の形態3)
実施の形態3では、FRETネットワーク部12の時間ダイナミクスを利用した信号処理装置について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a signal processing device that utilizes the time dynamics of the FRET network portion 12 will be described.

図7は蛍光寿命の多様性を検証した検証結果を説明する図である。図7は、図5に示すナノ構造体120の異なる領域に励起光を照射し、それぞれにおいて蛍光寿命を観測した結果を示している。照射領域111,112,113は、実施の形態2と同様に、直径16μmの円形領域とした。各照射領域111,112,113に対応する観測領域131,132,133は、短辺が1μm、長辺が400μmの矩形領域とした。各領域間の間隔は、100μmとした。照射領域111,112,113に照射する励起光には、515nmの波長を有するレーザ光を用いた。本実施の形態では、分光器を用いて時間分解計測を行うことにより、蛍光寿命の多様性を検証した。 Figure 7 is a diagram explaining the results of verifying the diversity of the fluorescence lifetime. Figure 7 shows the results of irradiating different areas of the nanostructure 120 shown in Figure 5 with excitation light and observing the fluorescence lifetime in each area. The irradiation areas 111, 112, and 113 were circular areas with a diameter of 16 μm, as in embodiment 2. The observation areas 131, 132, and 133 corresponding to each irradiation area 111, 112, and 113 were rectangular areas with a short side of 1 μm and a long side of 400 μm. The interval between each area was 100 μm. Laser light having a wavelength of 515 nm was used as the excitation light irradiated to the irradiation areas 111, 112, and 113. In this embodiment, the diversity of the fluorescence lifetime was verified by performing time-resolved measurement using a spectrometer.

各観測領域131,132,133において観測される蛍光強度の時間変化は、図7の右欄に示すグラフのようになった。各グラフの横軸は時間(ns)、縦軸は蛍光強度(任意目盛り)を示している。蛍光寿命を示す曲線には、フィッティング関数(Aln(-t/τ1)+Bln(-t/τ2))でフィッティングした曲線を用いた。ここで、τ1,τ2は時定数を表し、それぞれの値は図7に示す通りとなった。図7に示すグラフから、各観測領域131,132,133において観測される蛍光寿命は、各領域に応じて相違することが分かる。蛍光寿命の相違は、各領域内における蛍光粒子121A,121B,121Cの分布の相違に起因したエネルギ伝達経路の長短に由来するものであると推察される。The change over time in fluorescence intensity observed in each observation region 131, 132, 133 is shown in the graph in the right column of Figure 7. The horizontal axis of each graph indicates time (ns), and the vertical axis indicates fluorescence intensity (arbitrary scale). A curve fitting with a fitting function (Aln(-t/τ1) + Bln(-t/τ2)) was used to show the fluorescence lifetime. Here, τ1 and τ2 represent time constants, and their respective values are as shown in Figure 7. From the graph in Figure 7, it can be seen that the fluorescence lifetime observed in each observation region 131, 132, 133 differs depending on the region. It is presumed that the difference in fluorescence lifetime is due to the length of the energy transmission path caused by the difference in the distribution of fluorescent particles 121A, 121B, 121C in each region.

このように、観測領域131,132,133に応じて多彩な蛍光スペクトルが得られるので、上述したナノ構造体120をリザーバに応用可能であることが示唆される。すなわち、信号処理装置は、入力信号に空間変調パターンを持たせ、第1層120Aに含まれる蛍光粒子121Aを選択的に励起させた後に、FRETネットワーク部12の時間ダイナミクスに応じて定まる信号を読み出せばよい。In this way, various fluorescence spectra are obtained depending on the observation regions 131, 132, and 133, suggesting that the above-mentioned nanostructure 120 can be applied to a reservoir. That is, the signal processing device can provide a spatial modulation pattern to the input signal, selectively excite the fluorescent particles 121A contained in the first layer 120A, and then read out a signal determined according to the time dynamics of the FRET network portion 12.

(実施の形態4)
実施の形態4では、FRETネットワーク部12の時間ダイナミクスを利用した信号処理装置の他の例について説明する。
(Embodiment 4)
In the fourth embodiment, another example of a signal processing device utilizing the time dynamics of the FRET network portion 12 will be described.

図8は励起強度の違いによる蛍光寿命の多様性を検証した検証結果を説明する図である。図8は、図5に示すナノ構造体120に異なる励起強度の励起光を照射し、それぞれにおいて蛍光寿命を観測した結果を示している。ナノ構造体120に照射する励起光には、強励起の場合、波長510nm、強度135mW、弱励起の場合、波長510nm、強度20mWのレーザ光を用いた。本実施の形態では、分光器を用いて時間分解計測を行うことにより、蛍光寿命の多様性を検証した。 Figure 8 is a diagram illustrating the results of a verification of the diversity of fluorescence lifetimes due to differences in excitation intensity. Figure 8 shows the results of irradiating the nanostructure 120 shown in Figure 5 with excitation light of different excitation intensities and observing the fluorescence lifetime for each. The excitation light irradiated to the nanostructure 120 was laser light with a wavelength of 510 nm and an intensity of 135 mW for strong excitation and a wavelength of 510 nm and an intensity of 20 mW for weak excitation. In this embodiment, the diversity of fluorescence lifetimes was verified by performing time-resolved measurements using a spectrometer.

各励起条件において蛍光粒子121Aを励起した場合における蛍光強度の時間変化は図8に示すグラフのようになった。各グラフの横軸は時間(ns)、縦軸は蛍光強度(任意目盛り)を示している。蛍光寿命を示す曲線には、フィッティング関数(Aln(-t/τ1)+Bln(-t/τ2))でフィッティングした曲線を用いた。図8の左側のグラフは強励起を行った場合の蛍光寿命を示し、右側のグラフは弱励起を行った場合の蛍光寿命を示している。なお、各グラフに示す5本の曲線は、蛍光粒子121A~121Cの濃度を変更して観測を行った結果を示している。The change in fluorescence intensity over time when fluorescent particle 121A was excited under each excitation condition was as shown in the graph in Figure 8. The horizontal axis of each graph shows time (ns), and the vertical axis shows fluorescence intensity (arbitrary scale). A curve fitted with a fitting function (Aln(-t/τ1) + Bln(-t/τ2)) was used to show the fluorescence lifetime. The graph on the left side of Figure 8 shows the fluorescence lifetime when strong excitation was performed, and the graph on the right side shows the fluorescence lifetime when weak excitation was performed. Note that the five curves shown in each graph show the results of observations performed by changing the concentrations of fluorescent particles 121A to 121C.

これらのグラフから、弱励起の条件にて励起した場合、強励起の条件にて励起した場合と比較して時定数τ1,τ2が長いことが分かる。この結果、強励起時には、略全ての蛍光粒子121A~121Cにおいて励起子が生成され、そのまま発光しているのに対し、弱励起時には、励起子を持たない蛍光粒子121A~121Cが存在し、FRETネットワーク部12のネットワーク構造を介して移動した励起エネルギが遅れて発光しているものと推察される。From these graphs, it can be seen that when excited under weak excitation conditions, the time constants τ1 and τ2 are longer than when excited under strong excitation conditions. As a result, it is presumed that during strong excitation, excitons are generated in almost all fluorescent particles 121A-121C, which then emit light, whereas during weak excitation, there are fluorescent particles 121A-121C which do not have excitons, and the excitation energy transferred via the network structure of FRET network section 12 emits light with a delay.

このように、励起強度に応じて多彩な蛍光スペクトルが得られるので、上述したナノ構造体120をリザーバに応用可能であることが示唆される。すなわち、信号処理装置は、励起条件により規定される励起強度にて蛍光粒子121A~121Cを選択的に励起させた後に、FRETネットワーク部12の時間ダイナミクスに応じて定まる信号を読み出せばよい。In this way, a variety of fluorescence spectra can be obtained depending on the excitation intensity, suggesting that the above-mentioned nanostructure 120 can be applied to a reservoir. That is, the signal processing device selectively excites the fluorescent particles 121A-121C with an excitation intensity defined by the excitation conditions, and then reads out a signal determined according to the time dynamics of the FRET network portion 12.

今回開示された実施の形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上述した意味ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。The embodiments disclosed herein are illustrative in all respects and should not be considered limiting. The scope of the present invention is indicated by the claims, not by the above meaning, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of the claims.

11 信号入力部
12 FRETネットワーク部
13 信号読出部
14 制御部
15 記憶部
16 入出力部
REFERENCE SIGNS LIST 11 Signal input section 12 FRET network section 13 Signal read-out section 14 Control section 15 Storage section 16 Input/output section

Claims (7)

複数の蛍光粒子を含み、該複数の蛍光粒子を介した蛍光共鳴エネルギの移動経路が自律的かつランダムに定まるように構成された光エネルギネットワークと、
前記光エネルギネットワークへ入力すべき入力信号に応じて、前記複数の蛍光粒子の少なくとも一部を励起させる信号入力部と、
前記一部の蛍光粒子を励起させた後に、前記光エネルギネットワークから光信号を読み出す信号読出部と、
該信号読出部により読み出した光信号に基づき、前記光エネルギネットワークによる演算結果を取得する取得部と
を備える信号処理装置。
an optical energy network including a plurality of fluorescent particles, the optical energy network being configured such that a transfer path of the fluorescence resonance energy via the plurality of fluorescent particles is determined autonomously and randomly;
a signal input section for exciting at least a portion of the plurality of fluorescent particles in response to an input signal to be input to the optical energy network;
a signal readout unit for reading out an optical signal from the optical energy network after exciting the part of the fluorescent particles;
and an acquisition unit that acquires a result of a calculation performed by the optical energy network based on the optical signal read out by the signal readout unit.
前記入力信号は、空間変調パターンを有する信号であり、
前記信号入力部は、前記入力信号が有する空間変調パターンに基づき、前記光エネルギネットワーク内の蛍光粒子を選択的に励起させ、
前記信号読出部は、前記光エネルギネットワークの空間ダイナミクスに応じて定まる光信号を読み出す
請求項1に記載の信号処理装置。
the input signal is a signal having a spatial modulation pattern;
The signal input unit selectively excites fluorescent particles in the optical energy network based on a spatial modulation pattern of the input signal;
The signal processing device according to claim 1 , wherein the signal readout unit reads out an optical signal determined according to spatial dynamics of the optical energy network.
前記入力信号は、空間変調パターンを有する信号であり、
前記信号入力部は、前記入力信号が有する空間変調パターンに基づき、前記光エネルギネットワーク内の蛍光粒子を選択的に励起させ、
前記信号読出部は、前記光エネルギネットワークの時間ダイナミクスに応じて定まる光信号を読み出す
請求項1に記載の信号処理装置。
the input signal is a signal having a spatial modulation pattern;
The signal input unit selectively excites fluorescent particles in the optical energy network based on a spatial modulation pattern of the input signal;
The signal processing device according to claim 1 , wherein the signal readout unit reads out an optical signal determined according to time dynamics of the optical energy network.
前記信号入力部は、励起条件により規定される強度にて前記光エネルギネットワーク内の蛍光粒子を励起させ、
前記信号読出部は、前記光エネルギネットワークの時間ダイナミクスに応じて定まる光信号を読み出す
請求項1に記載の信号処理装置。
the signal input excites fluorescent particles in the optical energy network at an intensity defined by an excitation condition;
The signal processing device according to claim 1 , wherein the signal readout unit reads out an optical signal determined according to time dynamics of the optical energy network.
前記入力信号に対する出力信号が理想的な出力を示す教師信号を再現するように、前記信号読出部が読み出す光信号と前記取得部が取得する演算結果との関係を学習する学習部
を備える請求項1から請求項4の何れか1つに記載の信号処理装置。
5. The signal processing device according to claim 1, further comprising: a learning unit that learns a relationship between the optical signal read out by the signal readout unit and the calculation result acquired by the acquisition unit so that an output signal for the input signal reproduces a teacher signal indicating an ideal output.
前記蛍光共鳴エネルギの移動は、ドナーとなる蛍光粒子の電子と、アクセプタとなる蛍光粒子の電子との間の共鳴によって励起エネルギが移動する蛍光共鳴エネルギ移動である
請求項1から請求項5の何れか1つに記載の信号処理装置。
6. The signal processing device according to claim 1, wherein the transfer of the fluorescence resonance energy is fluorescence resonance energy transfer in which excitation energy is transferred by resonance between an electron of a fluorescent particle serving as a donor and an electron of a fluorescent particle serving as an acceptor.
複数の蛍光粒子による蛍光共鳴エネルギの移動経路が自律的かつランダムに定まるように構成された光エネルギネットワークへの入力信号の入力に応じて、前記複数の蛍光粒子の少なくとも一部を励起させ、
前記一部の蛍光粒子を励起させた後に、前記光エネルギネットワークから光信号を読み出し、
読み出した光信号に基づき、前記光エネルギネットワークによる演算結果を取得する
信号処理方法。
Exciting at least a portion of the plurality of fluorescent particles in response to an input signal to an optical energy network configured to autonomously and randomly determine a transfer path of the fluorescence resonance energy of the plurality of fluorescent particles;
reading out an optical signal from the optical energy network after exciting the portion of the fluorescent particles;
A signal processing method comprising: acquiring a result of a calculation performed by the optical energy network based on the read optical signal.
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