レーザー応用をはじめ広く光に関する分野の研究を行っています。光と画像は縁が深く、光情報処理や可視化技術のほか、コンピュータによるディジタル画像処理にも取り組んでいます。たとえば、ぼけた星像に含まれる情報のみから元の天体を推定するブラインド・デコンボリューションや、失われた光波の位相情報を回復する逆問題、３次元画像計測などです。
このほか、情報光学、光計測、光・量子エレクトロニクス、統計光学、非線形光学、イメージサイエンス、補償光学や能動光学、位相共役光学、近接場光学の最新の課題やレーザー走査顕微鏡、レーザースペックル、光ヘテロダイン技術にも取り組んでいます。以下に代表的なテーマをいくつか紹介します。
地上の望遠鏡で観測した天体は、大気の屈折率ゆらぎの影響で劣化し、実際の大きさの数十倍ほどに拡がっています。劣化した天体画像だけを用いて計算により元の天体を復元するのがブラインド・デコンボリューションです。ウェーブレット変換の利用などにより、二重星の復元に成功しています。
天体観測に用いられる巨大な補償光学系とは異なり、実験室スケールの補償光学系の応用を考えています。干渉計を使わず直接に物体光波の位相分布を求めるための新しいシステムと適応制御アルゴリズムを提案し、その有効性を確認しました。
このシステムでは、まず物体光波を光学的にフーリエ変換し、その結果に基づいて補償光学系の瞳関数の位相を動的に最適制御します。瞳関数の位相変調には液晶パネルを用い、物体光波の回折像の拡がり具合が最小となるように液晶パネルの位相分布をコンピュータで制御しています。
瞳関数の制御アルゴリズムとしてシミュレーティッドアニーリングを採用し、その際にツェルニケ多項式を利用して制御の高速化を図っています。液晶パネルをオンライン制御する補償光学系を実際に組み、その基礎的な特性を測定して有効性を確認しました。 これとは別に２次元回折格子を用いた波面形状センサも開発し、大気ゆらぎの動的計測に応用しています。
光波の位相分布には透過物体の屈折率分布、あるいは反射物体の三次元表面形状およびその変形などの情報が反映されるために、その可視化と高精度の定量測定は工学的に重要です。干渉計を使わずに、物体波のフラウンホーファー回折像から位相回復アルゴリズムによって光波の微小な位相分布を計算する研究を行っています。この方法では、1. 参照光や基準面などを必要としないため光学系が簡単となり、2. 光学部品の収差や外部からの振動の影響を受けにくいため、3. 安定な測定と測定精度や感度の向上が期待できます。
現在、SiO2 基板上に凹凸を形成した透明物体を試料として光波長の 1/30 の大きさの表面形状を明瞭に映像化することに成功しています。
光のうなりを利用した走査型のレーザー顕微鏡をゼーマンレーザーを光源としてつくりました。うなりの周波数成分だけを取り出すことにより散乱体の向こう側に隠れた微小物体をも明瞭に映像化することができます。半導体レーザーを光源とした赤外領域での実験も行っています。
３次元物体からの散乱光波に含まれる物体距離情報をデコンボリューションフィルターを用いて抽出する原理を提案し、実際の光学系と物体に適用してその有効性を実験的に検証することに初めて成功しました。この方法によれば、たとえば無限遠にピントのあった光学系で撮影したピンぼけ像から、そこに写っている物体までの距離を求められます。
［今後の展望］
上で述べた位相回復法に関して、さらにシステムを改良して光の波長の百分の一から千分の一程度の表面形状の定量的映像化をめざしています。また薄膜試料・生物試料の観測へ応用する予定です。その他、非線形結晶を利用する光コンピューティング、三次元顕微鏡画像の計算機合成、ニアフィールド顕微鏡の解析などの研究を進めていきます。
［経歴］
1972年早稲田大学理工学部応用物理学科卒業，74 年同大学大学院理工学研究科修士課程修了、理化学研究所研究員補、78年早稲田大学理工学部専任講師，理学博士，80年同助教授，85 年同教授
［所属学会］
応用物理学会，日本光学会，OSA（米国光学会），SPIE（国際光工学学会）
［研究室人員］
学部学生6人，修士課程10人、博士課程1人、理工学部助手2人，理工総研客員研究員2人
［主要論文・著書］
(1) Phase Retrieval Microscope Based on Photon Image Detection, Jpn. J. Appl. Phys., Vol. 41, 4809-4812 (2002)
(2) Phase Distribution Measurement of Light Wave by Adaptive Control of Pupil Function with Local Algorithm, Opt. Rev., 9, 33-36 (2002)
(3) Wavefront Sensor Using a 2-Dimensional Diffraction Gratings, Jpn. J. Appl. Phys., 37, 3749- 3753 (1998)
(4) デコンボリューションフィルターを用いる焦点ずれ量の推定法 : 実験的検証, 光学, 27, 150 - 156 (1998)
(5) ヘテロダイン干渉を利用したレーザー顕微鏡, レーザー研究, 24, 1068 - 1076 (1996)
(6) ブラインドデコンボリューションによる像回復, 第22回画像工学コンファレンス論文集, 179 - 184 (1991)
(7) Laser Scanning Microscope with a Differential Heterodyne Optical Probe, Appl. Opt., 29, 4244-4249 (1990)
(8) Evaluation of Optical Systems Using the Dynamic Properties of Laser-Produced Speckles, Appl. Opt., 22, 3532-3536 (1983)
(9) Scale and Rotation Invariant Real-Time Optical Correlator Using Computer Generated Hologram, Opt. Commun., 47, 8-11 (1983)
(10) Velocity-Measurement of Diffuse Objects by Using Speckle Dynamics, Jpn. J. Appl. Phys., 15, 1715-1724 (1976)
(11) Velocity-Measurement Using Structural Change Of Speckle, Opt. Commun., 18, 314-316 (1976)
(12) Dyanamics Of Speckles Produced By a Moving Object and Its Applications, Jpn. J. Appl. Phys.,14, Suupl.1, 301-306 (1975)
(13) 微小光学ハンドブック, （分担執筆）（朝倉書店, 1995）
(14) Optical Methods in Biomedical and Environmental Sciences, （共編） (Elsevier, 1994)
(15) 光用語事典, （分担執筆）（オーム社, 1981）