Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

面発光レーザ / 共焦点顕微鏡 / 並列処理 / 集積回路 / レーザ顕微鏡 / 画像処理 / バイオイメージング / スマートピクセル

3次元的動態・形態の観測を可能とした共焦点レーザ顕微鏡は、医学・生物学等諸分野における計測装置として広く用いられるようになった。しかし、既存のレーザ共焦点顕微鏡は、原則として走査機構を採用しており、このため1秒間に最大30フレームの処理が限界であり、微生物のように高速に運動する対象の形態や高速な生体反応・化学反応をリアルタイムで解析し、制御することは困難である。一方で、近年の集積化光デバイスの進展は目覚しく、2次元アレイ状の並列で高密度な面発光レーザや受光素子が実現されており、これらをレーザ顕微鏡に応用すれば、並列データ取得機能・処理機能など様々なメリットが生まれて来る。そこで本年度は、面発光レーザアレイの超並列性に適合した最適な共焦点光学系を設計・実装し、実験的検証を行った。通常の顕微鏡光学系では、軸外から出射したレーザ光は受光面において適正に結像しない。すなわち、出射面及び受光面は超並列性を持つにも関わらず、光学系の不備のために本来の性能を活かすことができない。そこで本研究では、並列の光源アレイ面が、これに対応した受光面に対して、光軸からの距離が10mm以内の領域において均一に結像する光学系を最適設計し、実現した。ディストーションおよび像面湾曲を像高によらず一様となるようにしている。なお、深さ方向の分解能として、50倍の対物レンズ(NA0.75)を用いたとき半値幅1.2μmを得た。また、発光部・受光部をモジュラーな構造とし、ペリクルミラーを用いたアライメントモニタリングシステムも内蔵させたことで、様々な実験的試みを可能としている。

ビジョンチップ / 人工網膜 / アナログCMOS / VLSI / 双極細胞 / 並列画像処理 / 集積回路 / 網膜 / アナログ集積回路 / 超並列処理 / 画像処理 / 抵抗回路網 / 動き検出

ビジョンチップは,生体の視覚機能をアナログCMOS集積回路として実現した,センサー内蔵の視覚情報処理用集積回路である.チップに対し外界像は並列に入力され,回路網のダイナミックスにより完全に並列に処理されるため,従来の直列型デジタルコンピュータが不得手とする画像処理の諸問題に対し,一つのブレイクスルーを与えることが期待される.本研究は,ビジョンチップ設計の基礎となる超並列回路網モデルの構築とCMOS回路の設計にある.平成5,6年度の研究では,網膜の双極細胞の特性をアナログCMOS回路により表現することを重点目標とし,以下の成果を得ることができた.
1.網膜の双極細胞の空間特性をシミュレートする超並列抵抗回路網モデルを構築し,入出力を計算機シミュレーションにより解析した.次にこのモデルのアナログCMOS集積回路により設計し,回路シミュレーションソフトにより動作の模擬実験を行った.さらにこのモデルを発展さ,入力の光強度に対して順応機能を持つ双極細胞モデルを構築し,同様にアナログCMOS回路設計とシミュレーションソフトによる動作解析を行った.
2.上記双極細胞モデルを動き検出回路に発展させるために,双極細胞応答の時間特性をも記述する超並列抵抗回路網モデルを構築した.またこのモデルの動く視覚入力に対する入出力特性を計算機によりシミュレーション解析し,モデルが生理学実験により得られている双極細胞のものとよく一致することが分かった.また細胞間距離や細胞の抵抗などの回路パラメータの値がどのように出力に影響を及ぼすかを数学的および数値的に明らかにした.

【研究分担者】
松本隆	早稲田大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)