京工繊など、レーザーが不要な秒間100万コマの三次元イメージングを実現

京都工芸繊維大学(京工繊)と神戸大学の両者は3月5日、レーザーを用いずに発光ダイオード(LED)からの光や自然光による照明、あるいは物体自体が発する光など可干渉性の低い光に対して、単一のカメラを用いて高速に動く物体の三次元形状や透明物体のイメージングを行える技術の実証に成功し、さらに最高で秒間100万コマの三次元イメージングを達成したと共同で発表した。

今回開発された並列強度輸送方程式法による、物体からの光の強度画像と位相画像を得るための処理の流れ(出所:京工繊プレスリリースPDF)

同成果は、京工繊電気電子工学系の粟辻安浩教授、同・三瓶明希夫准教授、同・プロジェクト研究員のSudheesh Kumar Rajput博士、高度技術支援センターの西尾謙三技術専門職員、京工繊工芸科学研究科電子システム工学専攻の公文雄基大学院生、神戸大次世代光散乱イメージング科学研究センターの的場修教授、産業技術総合研究所計量標準総合センターの夏鵬主任研究員らの共同研究チームによるもの。詳細は、米国光学会が刊行する光学およびフォトニクスを扱う旗艦学術誌「Optica」に掲載された。

ホログラフィ技術は、光の強度と位相の両方を記録することで物体の三次元像を再生するが、可干渉性の高いレーザー光を必要とする。それに対し、身の回りのLEDや電球の光、太陽光などの低可干渉光でも、ホログラフィと同様の物体の三次元像を記録する技術として、「強度輸送方程式」を用いる手法が提案されていた。この手法は、物体から奥行き距離の複数の位置で物体光の強度画像を記録し、それらの画像に強度輸送方程式を適用することで、物体の強度と位相の画像を得るというものである。しかし、この技術は低可干渉光を利用できる一方で、複数の画像を順次記録する必要があるため、動く物体には適用が困難だった。そこで研究チームは今回、新技術である「並列強度輸送方程式」を考案したという。

並列強度輸送方程式では、従来は複数枚が必要だったのに対し、1台のカメラのワンショットで、物体のある瞬間の強度と位相の両画像を取得することができる。これにより、カメラの撮影速度に応じて、動く物体の強度と位相の動画記録も可能となった。さらに、高速度カメラにこの技術を用いることで、低可干渉光源で照明された高速に動く物体や、物体自体が発する光の強度と位相を捉えた高速度動画像の記録も実現された。

並列強度輸送方程式を実現するために開発された光学系では、低可干渉光源としてLEDを使用している。物体を照明した光は、空気中を伝播後、ハーフミラーで2つの光ビームに分割される。分割されたそれぞれの光ビームは偏光板を通過し、互いに垂直な直線偏光に変換された後、ミラーで反射される。反射してきた光ビームは再びハーフミラーで統合され、同一の光路を経て偏光高速度カメラで記録される。

並列強度輸送方程式法を実現するための光学系の概略(出所:京工繊プレスリリースPDF)

この偏光高速度カメラは、それぞれの直線偏光が形成する画像を1枚の画像内に同時に記録する機能を持つ。光学系では、それぞれの直線偏光に対するハーフミラーとミラー間の距離を意図的に変えることで、記録される各画像は物体からの奥行き距離が異なる位置の情報を持つことになる。

このようにして、今回開発された光学系は強度輸送方程式に必要な、物体の異なる奥行き位置における複数の強度画像を、単一の画像としてワンショットで記録する。そして、記録された1枚の画像に対しコンピュータ処理を行うことで、瞬間の物体の強度と位相の画像を再生する。さらに、物体の強度画像と位相画像をコンピュータ処理することで、物体の三次元イメージングが実現する。また、得られた位相情報は定量性を持つため、今回開発された技術は物体の定量位相計測にも応用可能だ。

開発された光学系を用いて、高速に動く物体の位相動画記録や三次元イメージングの実証実験が行われた。実験では、高速に動く物体として、空気中に置いた電極間に高電圧を印加することで発生する放電現象が選択され、毎秒52万5000コマで記録された。さらに、放電現象を毎秒100万コマでも記録。放電が発生している領域では、放電を背面から照明する光が遮断されていることが観察されたとした。

高電圧がかけられた電極間で発生する放電のある瞬間の異なる奥行き位置での像(出所:京工繊プレスリリースPDF)

今回開発された技術の優れた点を活かすことで、自動車や航空機エンジンの燃料点火や爆発過程、核融合炉内の高速プラズマ挙動、生細胞からの蛍光の様子など、広範な分野への応用が期待されるという。加えて、三次元動画記録や、高速時空間変化を捉える高速度四次元蛍光顕微鏡、さらには染色処理や蛍光標識が不要な高速度四次元無染色顕微鏡など、新たな応用展開が進むことも期待されるとしている。