Flexible broadband camera

カーボンナノチューブフィルム

カーボンナノチューブ（Carbon Nanotube: CNT）は，1991年に飯島澄男博士により発見されたナノ電子材料です．炭素原子で構成される，直径ナノメートル台の円筒状物質です．チューブを繊維状に堆積したフィルムは，手やピンセットでも摘まみ易く扱い易い強度と柔軟性を示します．当研究室では1µm厚前後のフィルムを，フレキシブルブロードバンドカメラの主材料に用いています．Zeon社を始め様々な機関のご協力の元に，研究を進めています．

光熱起電力フレキシブルカメラ

CNTフィルムは，電磁波を高効率に吸収します．吸収された電磁波は熱に変換され，その後，熱電変換を通じて起電力として検出されます．この現象を光熱起電力効果と呼び，フレキシブルブロードバンドカメラの動作原理となります．これらは室温であらゆる周波数の電磁波検出を可能にし，先述の柔軟性と合わせて当研究室のカメラの強力な利点となります．カメラとしての撮像感度にも優れ，電子デバイスとして極めてユニークな位置付けとなります．

ストレッチャブル薄膜素子設計

ゴムの様に柔らかく弾性を持った薄膜シートに，CNTフィルムの光熱起電力効果型チャネルを埋め込むことで，高伸縮なセンサとしても展開しています．動作原理を詳細に紐解いた素子設計により，機械的伸縮性と光学的安定性の両立を実証しています．近年では，伸縮性に着目したストレッチャブルエレクトロニクスの特徴が徐々に認知され始めております．曲面への密着したカメラシートの貼り付けや，変形を伴う柔かい被写体への装着が期待されます．

三次元湾曲面イメージング計測

カメラの柔軟性により，対象物構造に依らず全方位イメージングが可能となります．湾曲物に対して，既存固体レンズカメラでは側面・裏面・凹凸面に死角を抱え，また全視野計測には巨躯な回転系が必要でした．当研究室の技術でこれら課題を解決し，制約の無い画像診断を実現します．カメラ搭載ユニットは，3Dプリンタにより自由度高く設計・実装し，過去には注射器，ガス管，送電線といった産業製品の高速全方位非破壊検査を実証してきました．

広帯域電磁波イメージング計測

イメージング計測において，物の見え方と照射電磁波の周波数には密接な関係があります．人の目は極めて狭い帯域の光のみを見ており，同じ様に見える場合も広帯域に画像計測を行うことで，対象物の材質同定が可能です．当研究室ではカメラ材料であるCNTフィルムの特性を活かして，透過性の有るミリ波・テラヘルツ波・赤外線の広帯域計測を進めています．不透明な三次元構造に対して，多層内部構造の任意階層全方位画像の抽出に特化しています．

化学物質・反応系モニタリング

上記の様な固体材料から成る産業製品の非破壊検査に加え，ミリ波・テラヘルツ波・赤外線計測により，液体やガスの化学的評価も可能となります．例として密閉容器内のガス反応に対して，外部からテラヘルツ波を照射することで，精製された水分量を検知し，ガス濃度の非破壊計測に成功しています．また温水が自然現象的に発する赤外線を用いて，溶け込んだグルコースの濃度を非破壊で推定でき，食品の糖度管理にも応用し得る感度を実証しました．

高感度パッシブ型イメージング

先述した温水からの赤外線は，熱輻射と呼ばれます．開発したカメラにより熱輻射を高感度に検知することで，外部光源不要（パッシブ）なイメージングへ応用可能です．目には見えない配管内でのグルコース溶液の濃度変化を，非破壊かつ立体的に可視化しています．光源周辺の巨躯な光学系を簡略化でき，カメラの貼り付けで完結するため，配管材料の品質検査とも併せて，化学プラントでのオンサイトかつマルチモーダルな検査応用が期待されます．

　この他にも，カメラ材料としてのCNT組成の最適化を進めています．CNTは電子状態やサイズ，機械的構造といった面で複雑な系となっており，光熱起電力効果の観点から個々の寄与を丁寧に紐解くことで，より一層の性能向上を狙います．現時点でもセンサ素子としては高感度と言えますが，更なる性能改善で，あらゆる測定装置・環境への適合性を目指します．

　また，最適化された組成のCNT分散液を用いて，フレキシブルブロードバンドカメラの全印刷作製に取り組んでいます．コンパクトな設備で量産が可能となるだけでなく，カメラピクセルの微細化・集積化による撮像性能向上が見込まれます．将来的には，プリンター等を用いたカメラの簡便な印刷の実現が目標です．

　更に，大面積印刷されたカメラを用いて，超広帯域・多波長光学情報を融合させたコンピュータビジョンへと展開しています．連結ライン状にシステムを組み込むことで，産業製品の製造工程内検査に向けた検証へ繋げていきます．また被写体の深さ方向の多波長光学情報から，多層材質同定・構造復元の実証を進めています．

　更に他大学・研究機関との共同研究を通じて，回路やフィルタ等を含めたカメラシステム全体のシート化にも積極的に注力しています．

代表的成果：①，②，③，④, ⑤, ⑥
総説文献等：①，②，③，④，⑤，⑥，⑦，⑧，⑨，⑩，⑪，⑫

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