2021 Fiscal Year Annual Research Report
多波長テラヘルツパラメトリック発生を用いたシングルピクセルイメージング
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19H02627
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
村手 宏輔 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (50824645)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | テラヘルツ波 / シングルピクセルイメージング / 非破壊検査 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
テラヘルツ波帯で利用可能なイメージング技術として、二次元センサー(テラヘルツカメラ)があるが、感度が低く、依然としてサンプルをラスタースキャンし単一画素検出器でイメージングする手法が広く用いられている。しかし、サンプルを機械的に移動させる必要があることから安定性や、測定時間などの課題が有り、実用的ではない。そこで、近年シングルピクセルイメージングが注目されている。シングルピクセルイメージングとは、光に空間的な変調をかけることで単一画素の検出器でも二次元画像を得られる方式で、圧縮センシングと組み合わせることで少ない測定点でも画像を再構成出来る特徴がある。本研究では我々独自の波長可変テラヘルツ波光源である光注入型テラヘルツ波パラメトリック発生器(is-TPG)と、シングルピクセルイメージングの手法を組み合わせることで、広いダイナミックレンジを有する高速分光イメージングを目指している。
今年度は銀ナノ粒子インクを用いたマスクによってシングルピクセルイメージングを実証した。当初DMDで変調した光で半導体板を励起することでテラヘルツ用マスクとすることを検討していたが、十分な変調率が得られなかった。そこで銀ナノ粒子インクを用いてマスクを印刷しる方式を導入した。機械ステージでスキャンし、各マスク情報から画像を再構成した。金属でテラヘルツ波を変調することになるため、高い変調率が得られ、単一波長ではあるが8×8の64ピクセルのイメージングを行ったところ、サンプル形状を把握できた。加えて、他の光源では難しい30 dBほど減衰する遮蔽物越しであってもイメージングが可能となり、本システムの有用性を確認できた。今後はピクセル数の増加や複数波長での測定を行い分光イメージングを目指すとともに、多波長発生との組み合わせも行っていく。
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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
これまでにシングルピクセルイメージング実現に向けたis-TPG分光システムの高性能化を行ってきた。検出感度向上や多波長is-TPGの開発などにより十分な性能が得られたため、今年度は実際にイメージ取得を試みた。最終目標は多波長の同時測定だが、まずは単一波長でのイメージングを行った。マスクとして、変調された光で半導体板を励起することでテラヘルツ波を変調する方式を当初検討していたが、それでは変調率が低くis-TPGの高いS/Nを活かすことが難しいと判断し、銀ナノ粒子インクで印刷したマスクの利用を検討した。本システムを用いて変調された信号を単一画素検出器で検出し、自ら作成した解析プログラムを利用してイメージを再構成することで、シングルピクセルイメージングを行う。その際、マスクのピクセルサイズが小さすぎると回折の影響が大きく画像取得に困難を伴ったため、まずは8×8の64ピクセルの画像取得を目指した。ピクセルサイズに合わせて作成した金属サンプルの概形を捉えることが出来、システムが正しく動作することが確認できた。次に、is-TPGのダイナミックレンジの高さを活かした遮蔽物越しのイメージングを試みたところ、ダンボールや革などで隠蔽されたサンプルについてもイメージングができた。
以上のようにシングルピクセルイメージングを実証できたこと、またis-TPGならではの特長を生かした遮蔽物越しのシングルピクセルイメージングが実現したことから、現在までの進捗状況は「(2)おおむね順調に進展している。」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度までに単一波長であればシングルピクセルイメージングが可能で、遮蔽物越しでも測定が出来ることがわかったので、今後は複数波長を用いた分光イメージングを目指していく。まずは測定時間を考慮せず、波長掃引による測定を行う。他システムでは遮蔽物越しの分光イメージングは難しく、遮蔽物越しの高ダイナミックレンジシングルピクセルイメージングが可能となればそれだけでも学術的な意義は大きい。また同時に画質向上も行いたい。前述の通り、今回取得した画像は8×8の64ピクセルと解像度が低く、ノイズの影響も出ていた。画質向上には、マスク数（ピクセル数）を増やす必要がある。しかし、従来のアダマールマスクでは回折の影響を無視できない点や、銀ナノ粒子インクで印刷したマスクでは画素数を上げる≒ピクセルサイズを細かくすることによる印刷品質の悪化、マスク数増加に伴う物理的なサイズの制限などがあり、解像度向上は容易ではない。そこで、マイクロスキャニング及び新たなマスク導入を図る。マイクロスキャニングとは、これまでと同一のマスクを利用するが、マスクを縦横に1/2ずつずらして4回測定することで、擬似的に解像度を向上する技術である。現在のセットアップをそのまま利用できるため、まずはこちらを試したい。もう一つの新たなマスクとして循環アダマール行列から作成されるマスク利用を考えている。全てのマスクの空間周波数が同一といった特徴を有するため、マスク間での回折量の違いを揃えることができ、回折の影響を最小限に抑えられることから、解像度の高い画像が得られると期待している。これら技術導入により遮蔽物越しでも鮮明な画像取得を目指していく。その後、多波長is-TPGや高速波長可変is-TPGと組み合わせることで遮蔽物越しの高速分光シングルピクセルイメージングを可能にしたい。
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