2021 Fiscal Year Annual Research Report
Visualizing light propagation in the scattering medium and fluctuating field
| Project Area | Comprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance |
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| Project/Area Number |
20H05887
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
粟辻 安浩 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (80293984)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
角江 崇 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (40634580)
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| Project Period (FY) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| Keywords | 光工学・光量子科学 / 超高速動画 / ホログラフィー / フェムト秒テクノロジー / 高速度イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2020年度に開発した散乱体中を伝播する光の動画像記録システムに対して拡大光学系を導入し，本年度は微小領域を伝播する光を動画像記録可能なシステムの構成を検討した．また，このシステムで得られる像の特性を解析するための計算機シミュレーションシステムを構築した．このシステムを用いて，伝播する光の拡大像がどのような形状で記録されるかを解析した．拡大光学系を導入して光の伝播の動画像を記録する場合，物体照明光パルスを拡散板に入射させる角度と参照光パルスを撮像素子に入射させる角度が同じである従来の記録光学系では，参照光パルスが撮像素子を横切る速度と物体光パルスが横切る速度が異なることを見出した．この速度差を補正するために，物体照明光パルスの拡散板に対する入射角度と参照光パルスの撮像素子に対する入射角度を変えてホログラムを記録する方法を考案した．また，これらの入射角度を変えてホログラムを記録する際に，再生像に生じる歪みを計算機で可視化し，その歪みを解析した．
さらに，伝播する光の拡大像動画像を，より長時間記録するための技術とその実現方法を検討し，時空間的により広範囲にわたる光の伝播の様子を記録可能にした．この方法では，これまでに構築した光の動画像記録システムに対して，参照光パルスを2分した後，各光路長を独立調整できる光路長調整機構を設けた後に合波する．2つの参照光パルスの偏光を直交するように光路長調整機構を構築する．合波した2つの参照光パルスと物体光パルスとを干渉させて形成するホログラムを偏光イメージングカメラで記録する．各参照光パルスで記録したホログラムを計算機で分離し，それぞれのホログラムを順に再生すると，光が伝播する様子の記録時間が延長された拡大動画像が得られる．考案方法を実現するシステムを構築し，記録可能時間を2倍に延長する実証に成功した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光パルスが伝播する様子の拡大像のディジタル動画像記録と観察の基本光学系の設計と構築を行えた．また，光パルスが伝播する様子の拡大像動画像記録する場合に得られる動画像を予想するための計算機シミュレーションシステムを作成しその有効性を確認した．さらに，拡大動画像として記録する場合に従来の記録方法であれば，物体照明光パルスが拡散板を横切る速度と参照光パルスが撮像素子を横切る速度が異なることを見出し，その差異が得られる再生像に及ぼす影響について計算機シミュレーションで解析できた．
以上の成果が得られていることにより，本研究課題はおおむね順調に進展していると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度に構築した光パルスが伝播する様子の拡大像のディジタル動画像記録・観察するための基本光学系では，拡大率7.8倍であり，微小領域や生物細胞中を伝播する光パルスを動画像として記録・観察するには，倍率が低い．今後は，より微小な領域を伝播する光の動画像を記録できるように，拡大率の向上を目指す．拡大率を向上させる場合，参照光パルスが撮像素子を横切る速度と物体光パルスが被写体を横切る速度との差がさらに大きくなる．その差を補正するために，物体照明光パルスが拡散板に入射する角度が，参照光パルスが撮像素子に対する入射角度より大きくなるようにホログラムを記録必要がある．物体照明光パルスが拡散板へ入射する角度と参照光パルスが撮像素子へ入射する角度のそれぞれを適切な角度を，前年度に構築した光パルスが伝播する様子の拡大像記録，再生システムを用いて明らかにする．また，構築システムに対して，明らかにした角度を設定してホログラムを記録し，光パルスが伝播する様子の高倍率拡大像のディジタル動画像記録と観察の可能性を試験する．
一般に，光の散乱特性は，光の波長に依って異なる．伝播する光パルスの動画像記録技術において，記録に用いる光の波長に対して得られる再生像やその特性については，未だ報告例が無い．そこで，伝播する光パルスの動画像記録に用いる光パルスの波長を変えた場合の像再生計算のアルゴリズムを検討する．また，この波長を変化させた際に得られる再生像の変化を調べることで，伝播する光パルスの動画像記録技術の波長特性を明らかにする．
ホログラフィーの記録について高度な知識を持つ(株)久保田ホログラム工房 久保田敏弘博士，神戸大学 的場修教授，産業技術総合研究所 夏鵬研究員，日本学術振興会 井上智好特別研究員と議論ならびに助言を受けながら研究を進める．
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[Presentation] High-speed imaging by parallel phase-shifting digital holography2021
Author(s)
Y. Awatsuji, Y. Takase, S. Hashimoto, T. Inoue, K. Nishio, P. Xia, T. Kakue, S. K. Rajput, O. Matoba
Organizer
Internatinal Symposium on Imaging, Sensing, and Optical Memory 2021 (ISOM'21)
Int'l Joint Research / Invited
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