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IBS、情報概念を導入して顕微鏡の乱視現象を解決

情報の損失が焦点を波源の方向に移動させることを解明


IBS(基礎科学研究院、キム・ドゥチョル院長)は同研究院先端軟性物質研究団のFrancois Amblard研究委員(UNIST自然科学部・生命工学部教授)が光学分野に情報の概念を導入して顕微鏡に生ずる乱視に類する現象を解決したと6月27日に発表した。

研究チームは幾何的情報の損失が焦点を波源の方向に移動させる効果があることを理論的に解明した。これを利用して実際の顕微鏡の数値の焦点の違いを減らすことで解像度を改善する方法を提示した。

これを例えると水に石を投げると石の落ちた位置から全ての方向に波動が広がるが、波動は開始点の情報を含んでいる。このようすを逆回しにすると波動が円を描いて石の落ちた地点に集まる姿になる。このように全ての方向から対称的に来る波動は焦点の情報を完璧に含んでいると言える。

だがレンズやアンテナといった大部分の器具は一方向から弧の形の波動を出すので不完全な幾何情報をもつ。またレンズの絞りで光の量を減らしたりアンテナの大きさを縮小すると情報に損失が生じる。

研究チームはこうした情報の損失が実質的な物理現像を起こすと考えて研究を開始した。まず情報を失う際に焦点がどこに移動するのか確認するための実験を行った。その結果、絞りの直径を小さくすると点に近くなるが、ここから出た光は懐中電灯のように扇状に広がる。情報量が極めて小さいとき焦点を失うと言える。

情報損失にともなう焦点移動は乱視と似た効果を示す。人間の目の乱視は角膜の縦横の曲率が異なることで生じる。普通は角膜がバスケットボールのボールのように均一な曲率をもつが乱視の角膜はラグビーボールのように横は緩やかで縦は急激に曲がっており縦横の焦点が異なる。曲率の違いが焦点の違いを生んで目に見える像はぼやけることになる。

乱視の焦点移動を逆に利用して解像度を向上させる方法も提示した。レンズの曲率を変えて焦点を後ろに移動させると情報損失のせいで焦点が前に移動する現象を相殺することができる。研究チームはこの概念を医療装置であるフェムト秒顕微鏡に用いて時間焦点と空間焦点の違いを改善し、顕微鏡の解像度を高めて乱視のような現象を改善できることを証明した。

研究に当ったFrancois Amblard研究委員は「本研究は非常に精密な装置の焦点を改善し解像度を向上させるための根本的方法を提示するもの。情報損失による焦点移動効果は日常では微々たるものだが、顕微鏡や超音波など精密さが要求される分野では大きな影響を与える。今後、本研究の成果は衛星および宇宙船との長距離通信をはじめ波動を利用する全ての技術の設計を変えるだろう」と話している。

研究結果は『米国科学アカデミー紀要(PNAS)』に6月13日付で掲載された。





[2018-06-29]

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