時間超解像ディジタルホログラフィック動画像計測システムの創成

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K15461
• Research Institution: Chiba University
• Principal Investigator: 角江 崇 千葉大学, 大学院工学研究院, 助教 (40634580)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: ホログラフィ / ディジタルホログラフィ / 3次元計測 / 高速度イメージング

Outline of Annual Research Achievements

光波の強度情報だけでなく位相情報も計測可能なディジタルホログラフィは，顕微鏡下における動物体の3次元計測への応用が大きく期待される技術である．本研究ではイメージセンサの性能限界を超える撮影速度で計測を可能にする，時間超解像ディジタルホログラフィを提案，実証することを目的とする．ディジタルホログラフィでは，計測対象の3次元情報を，計測対象の情報をもつ光（物体光）と参照光とで形成される干渉縞（ホログラム）画像として取得する．提案手法の実現において，本研究ではホログラムの周波数多重記録に着目した．ホログラム撮影時に平面波参照光を利用する場合，ホログラムをフーリエ変換して得られる周波数分布上においては，物体光の情報を有する周波数成分の位置が参照光の入射角度に応じてシフトする．この性質により，参照光の入射角度を変化させることで，物体光の多重記録が可能である．本研究では，異なる時間情報を有したホログラム画像が多重化されている周波数多重ホログラムをイメージセンサで撮像する．撮像した1枚のホログラムに対する計算機上での信号処理によって，時間情報ごとに物体光を分離することで提案手法を可能にする．令和1年度においては提案手法の有効性を確認するために，構築が比較的容易な，異なる時間情報を有した2枚のホログラム画像を周波数多重記録できる撮影光学系の構築を目指した．そのために，高速シャッタ，高速シャッタとイメージセンサとの同期を取るためのトリガ信号発生器をホログラム撮影光学系に実装した．また，それぞれの動作確認を行い，所望の動作が得られることを確認した．

Current Status of Research Progress

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

Reason

先行研究において，1枚のホログラム画像には最大6枚のホログラム画像を周波数多重記録可能であることが示されている．本研究ではまず提案手法の有効性を示すために，撮影光学系の構築が比較的容易な，異なる時間情報を有した2枚のホログラム画像の周波数多重記録を実証することを目指した．レーザ光源からの光波を物体光と参照光とに二分した後，さらに参照光を二分する．二分した参照光は，それぞれ異なる角度からイメージセンサへと入射させる．各参照光の光路上に高速シャッタを導入し，トリガ信号によってスイッチングすることで，イメージセンサ上にはいずれか一方の参照光のみが照明されるように制御する．イメージセンサもトリガ信号によって制御し，異なるタイミングでそれぞれの参照光が照明される間露光し続けることにより，周波数多重ホログラムを撮影できる．令和1年度においては，高速シャッタ，高速シャッタとイメージセンサとの同期を取るためのトリガ信号発生器をホログラム撮影光学系に実装してそれぞれの動作確認を行い，所望の動作が得られることを確認した．

Strategy for Future Research Activity

構築した撮影光学系を利用して実際に周波数多重記録ホログラムを撮影する．撮影したホログラムに対する信号処理により，異なる時間情報を正しく分離して計測対象の3次元情報を再構成できるかを検証する．この検証に成功後は，ガルバノミラーなどのような，光波の進行方向を高速にスイッチング可能な光学素子を利用して，3枚以上のホログラム画像が多重化された周波数多重ホログラムの撮影を試みる．並行して，圧縮センシングなどの信号処理技術を提案手法に導入し，ホログラム画像の多重化数を増やしたときに懸念される再生情報の劣化を抑制できる数値計算手法についても検討する．