2018 Fiscal Year Annual Research Report
Phosphorescent Lifetime Imaging with a Customized Ulta-high-speed Video
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18H01548
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 教授 (50216933)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中北 和之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主幹研究開発員 (50358595)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 燐光 / 寿命計測 / 圧力計測 / 超高速カメラ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、曲面上の風圧の時空間的な変動をLifetime-PSP(Pressure Sensitive Paint）法で計測する技術の実用化である。以下の２グループで協働して研究開発を進める。(1) 近畿大学グループ（代表：竹原）：Lifetime PSP法等に必要な蛍光や燐光の減衰特性を可視化計測するための専用特殊ビデオカメラを開発する。Lifetime PSP法による波面上の圧力変動計測を可能にする。(2) JAXAグループ（分担：中北）：Lifetime PSP法の検討をさらに進め、高精度化を目指すと共に、振動翼上の圧力計測に必要な周辺技術を整備する。特殊高速ビデオカメラとLifetime PSP法を組み合わせ、振動翼上の圧力分布の計測技術を確立する．以下の研究成果が得られた。初年度であるので実用化の観点からは準備段階の研究成果である。
(1) 近畿大学グループ：既に開発したテストイメージセンサ素子は、32×32画素、速度250万枚/秒、連続撮影枚数1,220枚で、繰り返し撮影において、画素内で撮影順序を保って画像信号を積算できることが特徴である。これにより再現性現象であれば、蛍光や燐光のような微弱光であっても、超高速撮影できる。評価の結果、積算撮影機能は正しく機能することが確認された。一方、非常に大きな暗電流が生じた。本年度の研究で、その原因は信号転送経路における局所的な大きな電界（20V/um近く）であることがわかった。また最高撮影速度は250万枚/秒と目標の1千万枚/秒の1/4の速度であった。また酸素と窒素の混合比を変えた気体を用い、気圧を変えてPSPの青色LED励起による発光強度の変化を調べた。
(2) JAXAグループ：弾性変形によって大変形を起こす翼模型を対象に、フラッタ発生時の圧力変動のLifetime PSPによる計測を行い、可能性と課題を調べた。
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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
(1) 近畿大学グループ：Lifetime PSP法で蛍光・燐光等の時間変化を計測するためのビデオカメラ用特殊イメージセンサ（裏面照射マルチ電荷収集ゲート画像信号積算素子）の画素の修正設計を行った。このセンサは裏面照射で各画素に4個の電荷収集ゲートと、各電荷収集ゲートに付随したループ型の折りたたみCCDメモリを備える。折りたたみ部等の電界が過大であったので、全CCD転送経路でブレークダウンを起こさない10V/umの電界になるようにした。また読み出し回路の課題についても明らかにした。
また窒素と酸素の比率と圧力を変えた実験により、これらのパラメータとPSPの発光強度との関係を比較的容易に定量化できることを明らかにした。
(2) JAXAグループ：弾性変形によって大変形を起こすフラッタ発生時の翼模型を対象に、Lifetime PSPによる瞬時圧力分布の計測を行った。通風中のPSPデータだけで圧力を算出するLifetime PSPデータ処理により、定性的な瞬時圧力分布を算出し、各高速度カメラ 画像を連続させてフラッタ発生時の圧力挙動を把握することができた。定量性に関しては、PSP塗料特性の差異による場所ごとの寿命分布や、試験模型と較正サンプル間の寿命特性差により十分な定量性を得ることはできなかった。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度からは従来の近畿大学グループ、JAXAグループに加えて、立命館グループを含む3グループで協働して研究開発を進める。これはこれまで近畿大学で研究員としてイメージセンサ設計を指導してきた江藤名誉教授が、近畿大学を離れ、立命館大学のみの所属となったためである。立命館大学のイメージセンサグループは徐々に人的に充実しつつある。
(1) 立命館大学グループ：次年度はまず、博士後期課程学生とともに、特殊イメージセンサの改良設計を完了する。現段階は１画素の前段の改良設計が終わった段階である。これは打ち込み不純物の濃度、打ち込みエネルギー、熱処理の設計と、電極形状及び駆動電圧の設計を含む。1画素についての後段設計では、配線設計と、その結果から配線を含む容量・抵抗の評価による駆動速度の評価が必要である。結果によっては画素の再修正を必要とする。現にテストセンサでは実速度が設計速度の1/4であった。さらに画素の並んだ受光面の外部の、周辺回路の設計を行う。画素設計と同程度の時間がかかる。
(2) 近畿大学グループ：PSPによる波面の圧力分布測定技術の開発を続ける。
(3) JAXAグループ：通風中のPSPデータだけでLifetime PSPデータ処理により、定性的にフラッタ発生時の圧力挙動を把握することができるようになった。しかし、定量的な計測に高めるには技術開発をさらに進める必要がある。PSP塗料特性について分析法の開発を含めてより精緻な分析を進めると共に、データ処理技術についても改良を進める。
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[Presentation] 100Mfps image sensor for biological applications2018
Author(s)
Takeharu Goji Etoh, Kazuhiro Shimonomura, Quang A. Nguyen, Kosei Takehara, Yoshinari Kamakura, Paul Goetschalckx, Luc Haspeslagh, Piet De Moor, Vu Truong Son Dao, Dzung H. Nguyen, Naoki Hayashi, Yo Mitsui, Hideo Inumaru
Organizer
SPIE Photonics West 2018
Int'l Joint Research
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