可視近赤外全域を１台で測定可能な超広波長帯域・小型分光イメージングシステムの実現

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04187
• Research Institution: Sendai National College of Technology
• Principal Investigator: 若生 一広 仙台高等専門学校, 総合工学科, 教授 (90500893)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 分光イメージング / 液晶波長可変フィルタ / LCTF / 非破壊非侵襲解析

Outline of Annual Research Achievements

分光イメージングは、航空宇宙、農林水産、医療、鉱工業など多分野で応用が始まっている。非破壊・非侵襲による解析には、可視域から近赤外域(400nm-2500nm)の波長が極めて有効であるが、特徴毎の波長帯域が重なる場合が多く、加えて水素結合／分子間相互作用によるバンドシフトがあるため、現場の動的環境では広い波長帯域を一度に細かく測定できることが精度向上のために重要となる。そのため、可視近赤外全域(400nm-2500nm)を1素子で網羅できる分光イメージング用フィルタの実現が強く望まれている。一方で、波長1600nm-2500nmでの液晶素子電気光学特性は未解明な点が多いため、可視近赤外全域(400nm-2500nm)を1素子で網羅するLCTF設計制御理論が未構築という課題がある。
本研究では以下の2課題を解明し、その結果を基に、現場で可視域から近赤外域全ての範囲（400nm-2500nm）を1つのLCTF素子(UWR-LCTF)により2000波長以上撮影可能とする、超広波長帯域・小型高性能分光イメージングシステムを実現し、新たな応用を創出することを目的として研究を進めている。
1. 近赤外域、特に1600nm-2500nmにおいて、屈折率異方性や誘電率異方性の異なる数種の液晶材料を用いて液晶素子を試作し、電気光学特性を測定して、素子を構成する材料に必要な条件および光学特性を制御する手法を解明・確立する。
2. 確立した制御手法を用いて、可視域から近赤外域全ての範囲(400nm-2500nm)で2000以上の透過波長を選択可能なUWR-LCTFを設計し、試作評価を行い実証する。
令和4年度は上記2. について実施した。その結果、可視域から近赤外域全ての範囲(400nm-2500nm)で2000以上の透過波長を選択可能なUWR-LCTFの設計に成功した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

令和4年度は、令和3年度に確立したUWR-LCTF用液晶素子の制御手法を用いて、可視域から近赤外域全ての範囲(400nm-2500nm)で2000以上の透過波長を選択可能なUWR-LCTFを設計し、試作評価を行い実証することを目的として研究を行った。以下の具体的項目について進捗状況を示す。
1) 令和3年度に行った試作液晶素子の電気光学特性解析及び液晶素子部材必要条件明確化で得た成果をふまえ、UWR-LCTF用に用いる液晶素子の改良試作を行う。→ 改良試作を行い評価解析した。その結果、所望の特性を実現する液晶素子を実現した。
2) 確立した制御手法を用いて、可視域から近赤外全ての範囲(400nm-2500nm)で2000以上の波長を選択可能なUWR-LCTFを設計する。→ UWR-LCTFの設計に成功した。
3) UWR-LCTFの組立、試作は、これまでの研究開発で技術移転した協力企業に外注する。試作したUWR-LCTFの特性評価を行い、効果を実証する。→ 令和4年度はUWR-LCTFの設計まで達成できたことより、令和5年度にUWR-LCTFの設計改良、組立、試作、評価を行う。

Strategy for Future Research Activity

令和4年度までの研究でUWR-LCTFの設計まで到達できたことより、以下の計画に基づき推進する。
令和5年度：UWR-LCTFの設計改良、試作、特性評価。UWR-LCTFによる超広波長帯域・小型高性能分光イメージング技術の確立。
1) 令和4年度の液晶素子改良試作の評価結果をふまえ、UWR-LCTFで実際に使用する液晶素子の製作を行う。2) 可視域から近赤外域全ての範囲(400nm-2500nm)で2000以上の波長を選択可能なUWR-LCTFの設計改良を行い、組立、試作する。組立、試作はこれまでの研究開発で技術移転した協力企業に外注する。3) 試作したUWR-LCTFの特性評価を行い、効果を実証する。4) UWR-LCTFを用いた超広波長帯域・小型高性能分光イメージングシステムについて、これまでの研究開発で技術移転した協力企業と連携し設計する。5) 設計に基づき、超広波長域・小型高性能分光イメージングシステムを試作し、技術を確立する。本システムの試作は別途予算を手配して行う。

Causes of Carryover

令和4年度に液晶素子の改良試作で必要な材料および液晶素子試作費用を計上していたが、他の予算で実施できた状況である。旅費についてはコロナ禍を受けオンラインでの協議に切り替え対応できた。偏光板、位相差板、UWR-LCTF試作費用については、UWR-LCTFの試作を令和5年度に実施する計画としたことから、次年度使用額を充当・活用することにより当初計画以上に効果的に研究を推進することが可能である。