スナップショット型
フルストークス偏光カメラ
理化学研究所
光量子工学研究センター アト秒科学研究チーム
沖野 友哉

2023年6月13日
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従来技術とその問題点（本技術開発の背景）
 商用のスナップショット型偏光カメラでは、計測対象画像の円偏光度（ストークスパラメータS3）を計測できない。
 物理的に偏光板等を回転しながら複数回の撮像を行う、フルストークスカメラがあるが、短時間に（偏光板を回転している時間内に）円偏光度が変化するような場合には利用できない。

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ストークスパラメーターとは光の偏光状態を記述する

直線偏光度（DoLP）
直線偏光角度（AoLP）
円偏光度（DoCP）
 厳密には、とストークスパラメーターは波長λ依存 波長分布まで計測するとなるとシステムが複雑となるため、単一波長を予め選択
用途：反射除去（➡自動運転用途）、応力・歪み検出、異物混入検査（通常のカメラでは得られない付加価値の高い情報）3フルストークスカメラの用途例

偏光コントラストを用いた画像コントラストの改善
N.T. Clancy et al., Biomed. Opt. Exp. 5, 4108 (2014).

手術時のIn-vivo計測(a) 膀胱, (b) 大腸, (c) 小腸

短時間かつ高空間分解能での計測が必要
4フルストークスカメラの用途例
生体組織の医学診断

B. Kunnen et al., J. Biophotonics 8, 317 (2015).

正常な生体組織と異常な生体組織
異なるストークスパラメーターの分布

ポアンカレ球（ストークスパラメーターの分布）5フルストークス偏光カメラ①時分割型：Division of Time (DoT)複数回計測非スナップショット
偏光状態が高速に変化する場合には利用できない
唯一市販化されているフルストークスカメラ（SALSA, BOSSA NOVA VISION）(80 mm x 80 mm x 100 mm)

50ミリ秒程度は偏光状態が変化しないことが必要
https://www.bossanovavision.com/ja/polarization-camera-ja/salsa-ja/
6フルストークス偏光カメラ②振幅分割型：Division of Amplitude (DoA)
2台のカメラを利用スナップショット計測が可能
カメラの位置・倍率の高精度調整要（サブピクセル精度が必要）
2台のカメラの個体差のキャリブレーション要

X. Tu et al., Opt. Exp 25, 33160(2017).
（アリゾナ大学+4D Technology Corp.）

7

CMOSイメージセンサー＋
4方位ワイヤグリッド偏光子アレイ（例：ソニー社IMX250MZR）…

スナップショット型
リニアストークスカメラ

 CMOSイメージセンサーの性能を継承
 高空間分解能（ピクセルサイズ：3.45µm, 画素数5MP）
 高消光比（250:1）

9045

1350

…

 直線偏光に関するストークスパラメーター（S0, S1, S2)の計測
 商用スナップショット型偏光カメラは、円偏光度（S3）を計測できない。
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リニアストークスカメラ
からフルストークスカメラへ リニアストークス：S0, S1, S2: 最小計測数３
 フルストークス：S0, S1, S2, S3: 最小計測数4
S0, S1, S2の計測であれば、3画素で十分偏光解析単位画素：2 x 2 = 4画素（ただし独立画素数は3）S0, S1, S2, S3を計測するには、冗長画素を有効に活用することはできないか（本技術の発想の原点）
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開発装置の構成
極めてシンプルかつ低価格な装置構成① 狭帯域バンドパスフィルタ② 複屈折ウェッジ③ スナップショット型偏光カメラ（市販）（市販の偏光カメラ③に①、②を追加するのみ）

① ②

③10

本技術の元となるアイディア
スナップショット型リニアストークスカメラの冗長性を解消する
1. リニアストークス計測

偏光解析単位画素

 偏光解析単位画素： 2x2（単位画素の範囲で均一な照明が必要）
 最小計測: 3 ➡ S0, S1, S2

AoLP

拘束条件
➡ 4画素は必要なく、1画素は余計！

拘束条件
 開発装置の偏光解析単位画素: 3x3
 単位画素（3x3）の範囲で均一な照明が必要

45904590

135013501359045904590

135013501359045904590

タイプ2
中心が90゜タイプ1
中心が0゜

2. フルストークス計測
 最小計測： 4 ➡ S0, S1, S2, S3

90

90

4590

459090

4590

4590

1350

1350

135

1350

135013590

4590

459090

45

90

4590

13501350135

1350135013590

4590459090

459045

90

11B
CA90

45

90

45

90

135

0

135013590

4590

4590

1350

135013590

45904590

結晶軸

複屈折ウェッジで冗長性の解消

A上の45゜, 135゜とB上の45゜, 135゜
ではウェッジ厚みの違いにより異なる位相差δA, δBが生じる

複屈折結晶（水晶等）ウェッジの厚み：厚（濃）、薄（淡）12BCA9045904590135013501359045904590135013501359045904590

結晶軸S0, S1, S2, S3の算出
赤枠もしくは緑枠で囲んだ
3x3画素が単位偏光解析画素
S0, S1S2, S313位相差の設計①

位相差は装置関数： 複屈折ウェッジの仕様で決まる

ウェッジの3要素
 複屈折量（ガラス材料依存）: 最小厚み: ウェッジ角:水晶, Δn = 0.0092 @ 532 nm（注）最小厚みL0は位相のオフセットに対応し機械的強さが担保できるように設計する②が満たされる必要がある （逆行列を有する条件）③ 単色光の入力が必須：
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数値シミュレーション

 センサーノイズ（Fixed pattern noise）を考慮して数値シミュレーションを実施。
 センサーには、最大信号量の入射を仮定
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装置の性能評価

ストークスパラメーターの空間分布の作成
計測対象のフルストークスパラメーターの空間分布の生成

レーザーダイオード(波長532 nm)

液晶デポラライザ

1/4波長板

AoLP

DoLP

開発装置
スナップショット型フルストークス偏光カメラ

バンドバス 水晶ウェッジ
フィルター

複屈折ウェッジの詳細
材料：水晶
サイズ：10 mm x 10 mm
最小厚み：0.2 mm
ウェッジ角：5゜

偏光カメラ[リニアストークスカメラ]

DoLP

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実測と数値計算結果の比較

実測（偏光カメラで実際に観測された画像）

数値シミュレーション

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フルストークスパラメーターの再構築
開発装置から得られたフルストークスパラメーター

数値シミュレーション

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フルストークスパラメーターの再構築

偏光イメージセンサーのキャラクタリゼーションを行うことで更に計測精度は高められる
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新技術と従来技術の比較
時分割

振幅分割

新技術

スナップショット計測×

○

○

結像光学系

単純

複雑

単純

偏光子/リターダー

単純単純

単純

空間分解能

高い

高い

高い

多波長対応

○○×

システムコスト

高い

中程度

低い

サイズ

大きい

大きい

小さい

新技術に関する特徴
手のひらサイズ：28 mm x 28 mm x 50 mm程度
原理的には複数の複屈折材料を組み合わせることで多波長対応可能。
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想定される用途① 短時間で偏光情報が変化するシーンを撮像する場合（円偏光度の動的変化の観測）② 原理的には、近赤外波長領域における、スナップショット型フルストークスカメラも製作可能➡ 近赤外光では、可視光よりもレイリー散乱やミー散乱が少ないため、生体組織における長い侵入長を確保できる。
③ 円偏光レーザーパルスのキャラクタリゼーション
レーザーパルス + プリズム + フルストークスカメラ（本開発）→ S0(λ), S1(λ), S2(λ), S3(λ)のシングルショット計測21

実用化に向けた課題① 現在、フルストークスイメージが撮像可能なところまで開発済み。しかし、装置関数を計測および偏光イメージセンサーのキャリブレーションに時間を要する。
② 高消光比と高解像度を両立する偏光イメージセンサーは可視域（400-700 nm）に限られる。
③ 実用化（量産化）には、自動キャリブレーションが可能な装置の開発が必要。

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今後の展開- スナップショット型偏光カメラ ① リニアストークスカメラ

高性能なものが既に市販化例）IMX250MZR (Sony)② フルストークスカメラ

今回の開発事項③ フルストークス分光カメラ

今後の開発事項④ 時間分解フルストークス分光カメラ

今後の開発事項（究極システム）23

今後の展開- マルチプレックス分光器 -複屈折ウェッジを用いた画素毎に異なるスペクトルフィルターの作成① 複屈折ウェッジ

画素毎のフィルターの作成
画素毎に異なるフィルター

J. Bao et al., Nature 523, 67 (2015).

② 偏光カメラ再構築を行う入射スペクトル24

企業への期待
光のパラメーターの一つである「偏光」は、十分に活用できているとは言い難い。
① 円偏光は散乱が強く生じる環境下において，直線偏光よりも偏光度を保ったまま伝播可能。
➡ 円偏光照射により直線偏光よりも高コントラストで被写体を撮像することが可能。
※本技術では、特に高速に円偏光度が変化するような被写体の撮像に威力を発揮する。
➡ 光の偏光情報を利用した顕微鏡等の開発中の企業には、本技術の導入が有効と思われる。
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本技術に関する知的財産権• 発明の名称：撮像素子、撮像装置、および、撮像システム• 公開番号 ：特開2023-7699• 出願人：理化学研究所• 発明者：沖野友哉、緑川克美

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お問い合わせ先
株式会社理研鼎業（りけんていぎょう）

新技術説明会事務局
E-mail:senryaku@innovation-riken.jp

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