2019 Fiscal Year Research-status Report
Three-dimensional refractive index measurement system using shear interferometer
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18K04158
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
富岡 智 北海道大学, 工学研究院, 教授 (40237110)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮本 直樹 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00552879)
西山 修輔 北海道大学, 工学研究院, 助教 (30333628)
松本 裕 北海道大学, 工学研究院, 助教 (40360929)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 屈折率分布 / 三次元非接触計測 / シア干渉計 / コンピュータトモグラフィー / 非定常 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究で開発中の非定常屈折率三次元分布計測システムでは，屈折率の光路積分量である位相変化画像を入射方向を変えながら取得し，これらからコンピュータトモグラフィーにより再構成を行う。このとき位相画像の取得には方向を変えた場合でも光軸の変化の影響が小さくアライメント調整が容易な一光束のシア干渉計を採用している。シア干渉計では，測定対象を透過した後の物体光を，有限厚さミラーの裏側から斜めに入射し，入射面からの反射光(物体光)ならびに奥のミラー面からの裏面反射光(シフト光)に分け，これらの二つを干渉させる。この干渉画像は，位相画像を空間微分されたものと関連しているため，位相画像を求めるためには，通常の二光束干渉における干渉画像処理に加えて，最終結果の空間積分の処理が必要となる。
今年度は，干渉画像から位相画像への算出方法と誤差の評価のために，マッハツェンダー干渉計(二光束干渉計)とシア干渉計(一光束干渉計)による干渉画像を同時に行える体系を構築した。一光束干渉計の干渉画像の処理は，二光束のそれの処理に空間積分を加えただけでは結果は一致しなかったが，この原因はミラー面で反射して入射面に戻って来たシフト光がさらに反射し再びミラー面に戻る多重反射光であることが解かり，干渉画像のフーリエ変換画像から多重反射光を除去するフィルタを加えることによりその影響を除去することができた。
また，二光束干渉計により得られた干渉画像から位相画像を求めるために，ディープラーニング(ニューラルネット)を用いた手法を開発し，このニューラルネットから求められる位相画像の誤差を推定するためのニューラルネットも開発した。
さらに，コントロールされた非定常測定対象として予定していた高電界下での炎の歪みについて，干渉計による測定の妨げにならない高電界の印加方法を模索し，測定対象をコントロールするための条件を見つけた。
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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
この研究では，一光束干渉計を用いて測定対象に入射する物体光の入射方向を変えながら複数の位相画像を取得し，それらの位相画像をもとに計算機処理により三次元屈折率分布を再構成する。
今年度の主な目標は一光束干渉計のデータ処理方法の改善であった。このデータ処理には，通常の二光束干渉計のデータ処理の最後に空間積分が必要となる。同じ測定対象に対して，二光束干渉計と一光束干渉計の干渉画像を同時に取得し，それらの結果を比較するシステムを開発し，その結果から一光束干渉計の測定系の問題点が明らかになった。この解決法も考案し，二光束干渉計で得られる結果とほぼ同等な結果が得られることが解かった。ただし，一光束干渉計のデータ処理における積分には，積分前の微分位相画像のバックグランドがゼロとみなせない場合が多く，積分の開始点であるバックグランド領域の選択も容易ではない問題が残っている。なお，この一連の処理と関連した境界要素法による偏微分方程式解法の高精度化も行ったが，精度が未だ不足していたため，別の方法を採用している。
これを解決するために，ニューラルネットも検討し，二光束干渉計に関するものではあるが，干渉画像から位相画像を得る方法も検討し有用性を確認でき，さらに三次元再構成に必要となる位相画像の誤差を推定可能なネットワークも構築し有用性を確認できた。
さらに，測定対象に時間変動を与える方法として，高電場による炎の変形を考えているが，高電圧回路を作成し，さらに測定光の妨げにならない電極配置を検討した。いくつかの検討を行った結果，アース面と離れた位置に，アース面と平行な二本の棒状電極を配置し，その間でかつアース面から離れた位置に測定対象を配置する方法により，炎を傾けることが可能となった。
以上より，システムとして組み上げるための個々のコンポーネントがおおむね完成したと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
干渉画像から位相画像への変換については，二つの方法を予定している。
一つ目は，通常の決定論的方法であり，今年度開発した手法の問題点である積分時の積分の初期値の選びかた等を検討する。こちらについては，後段の三次元再構成処理に必要な誤差の評価方法も課題となる。二つ目は，今年度開発したニューラルネットによる二光束干渉計用の位相抽出法をさらに発展させ一光束干渉計用の積分画像を得る方法である。この方法としては，二つの方法を考えている。一つ目は，開発済のネットワークに一光束干渉計の干渉画像を入力し微分画像を求め，それを積分するための新たなネットワークを作成する方法であり，二つ目の方法では，一光束による干渉画像から積分も含めた位相画像を一気に求めるニューラルネットを開発する。
三次元再構成の高分解能化のためには，より多くの方向からの位相画像が必要となり，それを増やすと全データを取得するための時間が長くなり，時間分解能が低下する。ハードウェア面で，一連の複数方向からの干渉画像の取得時間の高速化を図る。
三次元再構成には，当初予定の重みつき再構成アルゴリズムを採用する。
以上により，非定常屈折率三次元計測システムの性能評価を行う。
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| Causes of Carryover |
前年度末の学会発表の予定が参加できなくなったため。
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Research Products
(4 results)
