デバイスから回路、アルゴリズムまで幅広く開発
集積ナノシステムの次世代を開拓する

プラスチックや布、紙などを透過する
テラヘルツ光イメージセンサの開発

池辺将之准教授が所属する集積ナノシステム研究室は、アドバンストLSI工学研究グループ（LALSIE）の一翼を担う研究室である。アドバンストLSI工学研究グループは、大学院情報科学研究科情報エレクトロニクス専攻の集積アーキテクチャ研究室と集積ナノシステム研究室からなり、集積回路とそのシステム応用を研究する研究室合体としてハード・ソフトのみならず生命科学をも視野に入れた全国的にも数少ない画期的な研究を行っている。

池辺准教授が現在携わっているのは、テラヘルツ光イメージセンサーの研究。テラヘルツ光とは電波と光波の中間領域（100ギガヘルツ〜10テラヘルツ）の周波数帯で、プラスチックや繊維、紙など多様な物質を透過するため広範な応用可能性があるとして注目を集めている。池辺准教授は、テラヘルツ光を発生・検出するデバイスの開発と検証環境の構築に取り組んでいる。

「当研究室では＜アンテナアレイ方式（脚注1）＞に着目したチップの開発を行っています。アンテナとトランジスタを接続したセンサアレイ回路を開発し、テラヘルツ光を受光するアンテナ部分とアナログ・デジタル変換を行う部分をワンチップ化しています」

開発したチップはCMOS(Complementary MOS)と呼ばれるプロセスで、当研究室が保有する超解像技術を用いて解像度を可変することが可能だ。従来の検出装置よりも低電力で作動し、チップ自体も比較的安価に製造できるため、セキュリティ分野などでの実用化が検討されている。

「アンテナ型の面白いところは１秒間に1000フレーム程度の撮影が可能なことです。現在開発中の基板は１画素ごとにひとつのA/D変換器が搭載されていて、全ての画像をデジタルデータとして出力することができます。低い解像度でも、ミクロン単位で少しずつずらしながら１秒間に1000フレーム捉え、それらをうまく重ね合わせることで高い解像度の画像を作り出す。そのようなプロジェクトを進めているところです」

また、テラヘルツ光には指紋スペクトルと呼ばれる特徴があり、物質固有の吸収スペクトルを検出することでその物質を特定することができる。液体の分子の状況を捉えることも可能で、多様な応用の可能性が考えられている。

人の知覚に基づいた色や明るさの認知と
簡易な操作による輝度補正の手法を提案

もうひとつの研究テーマは「感性をも含む知的情報処理システム」と呼ばれるもので、大容量の画像データを大局と局所で同時に画像補正できる直感的インタフェースの研究である。これは、当研究室が数年前から研究に取り組んでいるもので、2016年には黒つぶれや白とびを起こすことなく画像を補正する手法（脚注2）を提案している。今回は、その手法をさらに拡張させた色・輝度変換手法（脚注3）を開発した。

「YCbCr方式（JPEGなどで色を表現する方式）で表現する場合、赤と緑は同じ明るさ（輝度）になるため、Photoshopなどのアプリケーションで赤と緑を領域ごとに輝度補正を行うのは困難とされています。本研究では、人間が実際に見た場合の知覚（認知科学）に即した明るさ（Helmholtz-Kohlrausch 効果）を用いて赤の輝度値を修正し、色の明るさに即した新たな輝度空間を定式化しました」

人間が実際に見た状態と同じように表現したり、簡易に補正・修正できる手法は、画像や映像を扱う分野から大きな期待を寄せられている。

「例えば、医療の分野ではレントゲン写真を鮮明にしたり、内視鏡の映像の反射やテカリを補正するといった活用法が考えられます。あるいは、ドローンを飛ばして可視光や赤外線、テラヘルツ光など多様な周波数でセンシングした地表データを、詳細に画像解析することも可能になるでしょう」

さらに池辺准教授は、人間の目で見やすい画像は人工知能（AI）にとっても見やすいものになると考え、AIに入力する際の加工・補正にも使えるのではないかと予測している。今後は民間企業と協力しながら実用化を目指した研究を進める計画だ。

脚注1	アンテナアレイ方式によるテラヘルツ光イメージセンサーの開発 マッチング回路を介して、アンテナとダイオードを接続し、２乗検波の概念で変調されたテラヘルツ光を検知する。受光と演算処理をワンチップ化することで、低価格のテラヘルツイメージングデバイスの実現を示唆している。
脚注2	大局および局所適応型輝度補正とその直感的インタフェース 人間が明暗をバランスよく捉えるように、大局・局所ごとの特徴に合わせた２次元輝度補正を行う。一般的な画像処理技術では、暗い部分を明るく補正すると明るい部分も輝度が上がるため「白とび」と呼ばれる状態になるが、この手法では暗い部分の輝度のみを上げることができる。
脚注3	人の知覚に即した色・輝度変換手法の研究 通常のYCbCr方式では、輝度Y空間で花の赤と葉の緑が同じ輝度と見なされる。そこで認知科学に基づいた明るさ（Helmholtz-Kohlrausch 効果）をもとに赤の輝度値に重みをかけ、赤と緑の輝度分布が分離するよう補正している。 テラヘルツ光を検出するチップを搭載した基板。中央の黒い部分の中に5ミリ角程度のチップが搭載されている。