2020 Fiscal Year Research-status Report

Development of three-dimensional measurement method of velocity distribution function by using ghost imaging absorption spectroscopy

Research Project

Project/Area Number	20K20914
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	荒巻光利日本大学, 生産工学部, 教授 (50335072)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	大野哲靖名古屋大学, 工学研究科, 教授 (60203890)
Project Period (FY)	2020-07-30 – 2023-03-31
Keywords	ゴーストイメージング / 構造化照明 / 吸収分光法
Outline of Annual Research Achievements	光の吸収から物質の濃度を得る吸収分光法はプラズマに限らず，さまざまな分野において簡便な測定法として用いられている．一方で，吸収分光法は光の伝播路で積分された情報しか得られないという大きな欠点がある．本研究で提案するゴーストイメージング吸収分光法が確立されれば，光の伝搬方向に空間分解能を有する吸収分光が可能になる．本研究の中心的なアイデアは，構造化照明を空間的に制限した範囲で結像させてゴーストイメージングを行うことにある．2020年度は，レーザーを光源とした構造化照明の試作と性能評価を行った．構造化照明の生成には，DMD（Digital Micromirror Device）を用いる．DMDとは，シリコン基板上にMEMS（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて10μｍ角程度の微小なミラーを集積したデバイスである．本研究では，準安定ヘリウム原子の吸収分光への適用を計画しているため，1083nmで高い反射効率を有するDMDを選定した．光源としてレーザーを用いると，DMDによって生成された光の空間パターンは，コントラストを保ったまま長距離伝搬するため，本研究で求められる相関領域の制限ができない．そのため，レーザー光をインコヒーレントな状態に変換して，試験的に市松模様を表示したDMDに照射した．DMDの反射光をレンズで結像し，結像面前後でビームプロファイラを用いて画像計測した結果，結像面では鮮明な画像が観測されるが，±5mm，±10mmと結像面から離れるにつれてコントラストが低下し，±20mmでは元の構造を判別することが不可能であった．今回の予備実験により，レーザー光源を用いても空間的にインコヒーレントな光に変換することで，結像面以外のコントラストを低下させられることが確認できた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 本研究課題は，2020年および2021年にゴーストイメージング吸収分光の原理実証実験を実施し，2022年には再結合プラズマの空間構造の観測に適用することを目指している．2020年度は，ゴーストイメージングに必要となる要素技術である構造化照明を試作した．これにより，レーザーを光源としても，インコヒーレント光に変換して用いることで結像面周辺のみで高いコントラストをもつ構造化照明が生成できることを確認した．また，DMDで高速に照明の空間構造を切り替えるプログラム開発にも着手し，ハードウェアに求められる要件等が具体的に明らかになった．本研究では，ゴーストイメージング吸収分光法を開発し，再結合プラズマの空間構造の観測に適用することを目指しているため，ゴーストイメージング測定系の開発と並行して，高密度ヘリコン波プラズマ源の開発も進めている．2020年度は，真空容器，磁場コイル等の主要部分の開発が完了した．このように，ゴーストイメージング吸収分光法の確立に向けた基礎的な研究と装置開発が順調に進展している．
Strategy for Future Research Activity	【測定プログラムの開発について】ゴーストイメージングではDMDにランダムパターンを逐次表示して構造化照明を生成して吸収体に照射し，吸収光の積分値とランダムパターンとの相関を計算する必要がある．2021年度は，この測定系を制御するプログラムを開発する．　【光学系の開発について】本研究では，構造化照明を限られて領域で結像させる光学系が必要となる．結像面近傍での構造のコントラス変化を定量的に評価し，光学系の開発を進める．　【ゴーストイメージング吸収分光の原理実証実験について】ゴーストイメージングの原理実証実験として，半透明画像を対象とした測定実験を行う．結像面周辺における構造化照明のコントラスト変化と，再構成される画像のコントラストの関係を確認する．　【高密度ヘリコン波プラズマ源の開発について】本測定手法の応用例として提案している再結合プラズマの空間構造測定に向けて，高密度ヘリコン波プラズマ源を開発する．
Causes of Carryover	2020年度は，本研究に必要となる光学系を詳細に検討して構造化照明装置の機種選定を行ったが、デモ機による試験が2021年にずれ込んだため．