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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Scattered and fluctuating field modeling with large-scale databases

Planned Research

Project AreaComprehensive understanding of scattering and fluctuated fields and science of clairvoyance
Project/Area Number 20H05888
Research InstitutionThe University of Electro-Communications

Principal Investigator

渡邉 恵理子  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 准教授 (20424765)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 宮本 洋子  電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50281655)
池田 佳奈美  大阪公立大学, 大学院工学研究科, 助教 (70822568)
Project Period (FY) 2020-11-19 – 2025-03-31
Keywordsホログラフィ / 相関イメージング / 位相シフトデジタルホログラフィ / 計算機ゴーストイメージング / 深層学習
Outline of Annual Research Achievements

2022年度は、散乱・ゆらぎ特性のデータベース化およびモデリング,散乱媒体背後の透視実験に向けて,下記の項目を実施した。
(1)空間位相変調器により大気揺らぎを付加した単一画素イメージングの光学系を構築し,再構成時に深層学習を利用することにより,散乱・揺らぎを除去可能な透視イメージングを基礎実証した。また,散乱・揺らぎの解析とモデリングに活かすために,深層ニューラルネットワークの層構造の寄与を解析し,考察した。(2)複素振幅分布を高速に測定可能な波面センサに向けて,ホログラフィック光相関システムと単一画素イメージングを融合させた光相関デジタルホログラフィをシミュレーションにより実証し,実験系の構築と基礎実験評価を行った。(3)高速波面測定が可能な光相関デジタルホログラフィの実装に向けて,光相関システムの光学デバイスを改良し,安定化を行った。また,2022年12月に光相関デバイスインターフェイスが国際標準化として承認された。(4)共通光路デジタルホログラフィと位相シフトデジタルホログラフィを用いた新たな揺らぎ・散乱除法を,新しい光導波路により実装し,実験により適用範囲を考察した。
(5)薄い散乱物体について散乱光の偏光状態分布を撮影するにあたって,撮影方法が空間分解能に与える影響を検討し,定量的な結果を得た。不可分性を評価する指標についても検討を進め,従来のコンカレンスに代えて「内在的コンカレンス」を用いるべき場合があることが分かった。
(6)揺らぎ媒体背後の透視・近赤外波長帯等を含む多波長での解析に向けて,光空間通信への適用を想定し,短波長での基礎的な光波伝搬シミュレーションを構築した。さらに基礎実験に向けて実験環境に合わせたシミュレーションの改変を進めた。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

研究実績概要に示した通り,申請時に計画していた実施事項を基本的に計画通りに実施できたため。

Strategy for Future Research Activity

(1)高精細な画像を対象とした散乱・揺らぎを除去可能な透視イメージングに向けて,単一画素イメージングの再構成時に利用する深層ニューラルネットワークを改良する。(2)深層ニューラルネットワークの層構造の寄与の解析や,光相関デジタルホログラフィを利用した散乱・ゆらぎ特性評価系により,散乱・揺らぎのモデリングを目指す。(3)複素振幅分布を高速に測定可能な波面センサに向けて,ホログラフィック光相関システムと単一画素イメージングを融合させた光相関デジタルホログラフィの光学系を改良し,高速波面測定が可能な光相関デジタルホログラフィの実装を目指す。
(4)共通光路デジタルホログラフィと位相シフトデジタルホログラフィを用いた新たな揺らぎ・散乱除法の実現デバイスとして,様々な機能を搭載した機能集積型光導波路照明素子を製作し,生体計測への適用範囲を考察し実証する。(5)薄い散乱物体による散乱実験を進めつつ,より複雑な散乱物体による散乱実験にも着手する。空間分解能や指標について得られた知見に基づいて,薄い散乱物体について散乱光の偏光状態分布を撮影して特徴量を評価し,散乱前後の空間分布と偏光状態の不可分性の変化を実験的に検証する。(6)適応対象に合わせた変調パターンの空間周波数や必要切り替え速度などを考察するために、適応対象に合わせた具体的なシミュレーションを行う。光通信用に構築したシミュレーションと基礎実験光学系を用いて,単波長での検証を進め,多波長での解析に向けた課題を精査する。

  • Research Products

    (29 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (3 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (23 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 5 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Int'l Joint Research] University of Stuttgart(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      University of Stuttgart
  • [Int'l Joint Research] SRM大学AP-Amaravati校(インド)

    • Country Name
      INDIA
    • Counterpart Institution
      SRM大学AP-Amaravati校
  • [Journal Article] Functionally-integrated waveguide illuminator for common-path digital holographic microscopy through random media2023

    • Author(s)
      Iida Kohei、Hayashi Kenta、Faheem Maryam、Okamoto Katsunari、Takeda Mitsuo、Watanabe Eriko
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 48 Pages: 1

    • DOI

      10.1364/OL.488715

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 3D imaging through a highly heterogeneous double-composite random medium by common-path phase-shift digital holography2022

    • Author(s)
      Ohta Manami、Kodama Shutaro、Miyamoto Yoko、Osten Wolfgang、Takeda Mitsuo、Watanabe Eriko
    • Journal Title

      Optics Letters

      Volume: 47 Pages: 1170~1170

    • DOI

      10.1364/OL.451167

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Holographic 3D Imaging through Random Media: Methodologies and Challenges2022

    • Author(s)
      Takeda Mitsuo、Osten Wolfgang、Watanabe Eriko
    • Journal Title

      Light: Advanced Manufacturing

      Volume: 3 Pages: 301~313

    • DOI

      10.37188/lam.2022.014

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 機能集積型光導波路照明素子に向けたSi3N4光導波路の設計と基礎評価2023

    • Author(s)
      仲間一貴, 菊地雄亮, 林健太, 岡本勝就, 一色秀夫, 渡邉恵理子
    • Organizer
      第17回関東学生研究論文講演会
  • [Presentation] グレースケール符号化パターンを用いたシングルピクセルイメージング2023

    • Author(s)
      中尾洸介, 櫻井萌, 渡邉恵理子
    • Organizer
      第17回関東学生研究論文講演会
  • [Presentation] 平面導波路型デジタルホログラフィック顕微鏡とその展開2023

    • Author(s)
      渡邉恵理子
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会
    • Invited
  • [Presentation] 機能集積型光導波路照明素子によるデジタルホログラフィックイメージング2023

    • Author(s)
      飯田 公平、林 健太、岡本 勝就、武田 光夫、渡邉 恵理子
    • Organizer
      第70回応用物理学会 春季学術講演会
  • [Presentation] 深層学習に基づくシングルピクセルイメージングの大気ゆらぎ耐性の評価2023

    • Author(s)
      櫻井萌, 高原大樹, 星沢拓, 池田佳奈美, 早野裕, 武田光夫, 渡邉恵理子
    • Organizer
      第15回 AI Optics研究グループ研究会
  • [Presentation] 光空間変調を用いた光空間通信システム2023

    • Author(s)
      池田佳奈美
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第43回年次大会, G06-19a-III-01 (名古屋, 2023.01. 19)
  • [Presentation] Holographic technologies for classical and quantum optics2023

    • Author(s)
      Y. Miyamoto
    • Organizer
      International Conference on Optics and Photonics Technology (ICOPT-23) (online) (2023.2)
  • [Presentation] ゆらぎと光渦2022

    • Author(s)
      宮本洋子
    • Organizer
      レーザー学会学術講演会第42回年次大会講演予稿集
    • Invited
  • [Presentation] 深層学習に基づくシングルピクセルイメージングの大気ゆらぎ耐性の評価2022

    • Author(s)
      櫻井萌, 高原大樹, 星沢拓, 池田佳奈美, 早野裕, 武田光夫, 渡邉恵理子
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2022
  • [Presentation] ホログラフィーを用いた散乱や揺らぎ層背後の3Dイメージング2022

    • Author(s)
      渡邉恵理子
    • Organizer
      Optics & Photonics Japan 2022
    • Invited
  • [Presentation] 深層ニューラルネットワークを用いたシングルピクセルイメージングによる空間ノイズ抑制2022

    • Author(s)
      渡邉恵理子
    • Organizer
      月刊オプトロニクス WEBセミナー「AIの光学応用セミナー -補償光学や画像処理、技術習得サポートまで-」
    • Invited
  • [Presentation] ホログラフィーを用いた新しい3Dイメージング技術 ~深層学習や光導波路との融合による展開~2022

    • Author(s)
      渡邉恵理子
    • Organizer
      光とレーザーの科学技術フェア
  • [Presentation] Suppression of Time-Fluctuation Spatial Noise Influence in Single Pixel Imaging Using PG-TFNS Network2022

    • Author(s)
      Taku Hoshizawa, Yuta Wada, Hiroki Takahara, Moe Sakurai, Kaito Nakao, Eriko Watanabe
    • Organizer
      Sensing and Imaging through Scattering and Fluctuating Field in Biology, Telecommunication, and Astronomy 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Complex Amplitude Reconstruction Using Coaxial Optical Correlator-based Single-pixel Digital Holography2022

    • Author(s)
      Kaito Nakao, Shuntaro Aragaki, Taku Hoshizawa, Eriko Watanabe
    • Organizer
      Imaging, Sensing, and Optical Memory 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A Deep Neural Network for Time-Fluctuation Spatial Noise Suppression in Optical Correlation Imaging based on a Progressive Growing Adversarial Network2022

    • Author(s)
      Takahara Hiroki, Wada Yuta, Sakurai Moe, Nakao Kaito, Taku hoshizawa and Watanabe Eriko
    • Organizer
      Imaging, Sensing, and Optical Memory 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Phase Plane Distortion Suppression by Deep Neural-Network-Based Single-Pixel Imaging2022

    • Author(s)
      Moe Sakurai, Hiroki Takahara, Shuntaro Aragaki, Kaito Nakao, Taku Hoshizawa and Eriko Watanabe
    • Organizer
      Imaging, Sensing, and Optical Memory 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Fast Phase-shift Control Method for a High-speed Planar Lightwave Circuit Digital Holographic Microscope2022

    • Author(s)
      Kenta Hayashi, Kazutaka Nakama, Hideaki Gomi, Katsunari Okamoto, Eriko Watanabe
    • Organizer
      The 13th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Planar Lightwave Circuit Digital Holographic Microscope with a Visible Arrayed Waveguide Grating2022

    • Author(s)
      Hideaki Gomi, Yumi Murai, Kazutaka Nakama, Kenta Hayashi, Katsunari Okamoto and Eriko Watanabe
    • Organizer
      The 13th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Planar lightwave circuit digital holographic microscope for 3-D imaging through random media2022

    • Author(s)
      Kohei Iida, Manami Ohta, Katsunari Okamoto, Mitsuo Takeda and Eriko Watanabe
    • Organizer
      The 13th International Conference on Optics-photonics Design & Fabrication
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 大気揺らぎの影響低減に向けた高速光空間変調の活用2022

    • Author(s)
      池田佳奈美, 渡邉恵理子
    • Organizer
      第16回物性科学領域横断研究会, S04-02 (Online, 2022.11.25).
  • [Presentation] Generation of Diffracting and Non-diffracting Speckles2022

    • Author(s)
      P. Vanitha, S. G. Reddy, R. P. Singh, and Y. Miyamoto
    • Organizer
      Optical Manipulation and Structured Materials Conference (OMC 2022) (Yokohama, Japan/online) (2022.4).
  • [Presentation] Interferometric Evaluation of Stokes Camera,2022

    • Author(s)
      Monia Akter, Sohei Kohara, Shoki Nagai, Yoko Miyamoto
    • Organizer
      Optics and Photonics Japan 2022
  • [Presentation] Bell’s inequality - theory and practice2022

    • Author(s)
      Y. Miyamoto
    • Organizer
      Joint Symposia on Optics, Optics and Photonics Japan 2022 (Utsunomiya, Japan) 14aBJ6 (2022.11) (Invited paper)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 小型光学装置2023

    • Inventor(s)
      渡邉恵理子, 仲間一貴, 岡本勝就,飯田公平, 林健太
    • Industrial Property Rights Holder
      電気通信大学
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2023-020867

URL: 

Published: 2023-12-25  

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