マルチスペクトルイメージング用デバイスの研究

フォトニック結晶型光素子の設計と試作実験

光の波長以下の周期を持つ屈折率周期構造体はフォトニック結晶(Photonic Crystal)と呼ばれます。最も基本的なフォトニック結晶は誘電体交互多層膜で、これは古くから多層膜干渉フィルターとして使われてきました。この多層膜に水平方向の周期構造を付与すると２次元・３次元のフォトニック結晶ができますが、これは深いストップバンド、高い波長感受性、水平方向周期に依存したパスバンドなど、交互多層膜にはない全く新しい特性を持っています。
本研究室では、①このような多層膜型フォトニック結晶中の新奇光学現象の解明、②FDTD法の電磁界シミュレーションを用いた光機能素子の設計、そして③微細薄膜加工プロセスを用いた素子の試作実験を行っています。特に、分光イメージングに必要なマルチスペクトル・フィルター・アレイ(MFA)の創出に近年は力を注いでいます。

図1. フォトニック結晶(PhC)型近赤外MFAの構造

フォトニック結晶型MFAのプロセスの一部はナノテクノロジープラットフォーム／東北大学マイクロシステム融合研究開発センター所有の電子ビーム描画装置で作製しています（以下は装置の写真と、リソグラフィ後の結晶基板）

可視～近赤外分光イメージングの研究

試作したMFAをCMOSイメージセンサに集積化すると分光イメージセンサとして機能させることができます。下図はSONY製IMX-477RにMFAを集積したセンサの写真( Raspberry Pi HQ Cameraの基盤上）です。このセンサーをRaspberry Piなどのシングルボードコンピュータで制御し、各種の機械学習アルゴリズムを適用することで、分光画像やそこから派生する２次情報の画像を得ることができます。

また以下の図は左から順に、(a)MFAが集積化されたRaspberry Pi HQ Cameraの基盤、 (b)それにレンズを装着しRaspberry Piで制御している様子です。このようなセンサに特定の波長の光（単色光）を入射すると、(c)のようなMFAの各チャンネルの分光感度に応じて市松模様上のパターンが観測されます。

想定している応用には、(a)風景のセグメンテーション、(b)果物の糖度などの非破壊推定、(c)生体計測、などがあります。下図には近赤外波長で生体（ヒトの腕）を撮影した様子と、果物（りんご）の分光画像を推定した結果を示しました。 農産物への応用の場合、スーパーで売られている果物の中には、光センサーで糖度を計測したと謳っているものがたくさんあります。これらは近赤外域（おおむね波長700nmから1000nm)のいくつかの波長における果肉の吸光度から計算しています。現在の光センサの多くはピンポイントもしくは対象物全体の平均的な糖度を測っているにすぎません。我々は分光イメージセンサを使い、糖度の分布をイメージとして可視化することに挑戦しています。

この研究は近赤外LEDを用いた高輝度照明の開発や、画素ごとに得られる膨大な光強度データの統計処理、MFAの透過スペクトルの最適設計を始めとした、いくつかの周辺技術の開発も含んでいます。下図下は、分光イメージセンサを搭載したカメラによる撮影実験の様子です。