可視波長空間光変調器を用いた検出されない光子によるらせん位相赤外イメージング

目に見えないものを見る

生体組織から工業材料まで、興味深い多くの物質は赤外光の領域に重要な情報を秘めており、これは私たちの目や一般的なカメラでは捉えにくい部分スペクトルです。問題は、高感度な赤外カメラが高価でノイズが多いのに対し、可視光カメラは安価で高解像度かつ広く普及している点です。本研究は、賢い量子光学とプログラム可能な光形成素子を用いて、標準的な可視光カメラだけで鮮明かつエッジが強調された赤外画像を作成する方法を示しており、さらに驚くべきことに、検出される光子が実際に対象に触れることなく像を作る点が特徴です。

触れずに見ている光

この実験は「検出されない光子を用いたイメージング」と呼ばれる手法に基づいています。特殊な結晶が高エネルギーの“ポンプ”ビームを、波長の低い2つの光子のペアに変換します：1つは可視波長、もう1つはパートナーの赤外波長です。セットアップは、各ペアが結晶を通過する2つの異なるパスで生成され得るように構成されており、何も介入がなければ、あるペアがどちらの通過で生まれたかを区別する方法が存在しません。この意図的な不可識別性により、可視光子はそれらの検出されない赤外のパートナーに起きる事象に極めて敏感な干渉パターンを形成します。

隠れた赤外で像を描く

像を作るために、研究者たちは赤外のパートナーを試料（テストターゲットやパターン化されたマスクなど）に向け、可視のパートナーは試料に一切触れない別経路に誘導します。サンプルを通過する際の吸収や位相変化など、赤外ビームの変化は干渉条件を微妙に変化させます。その変化は、通常のカメラで記録される可視光の干渉パターンの明るさの局所変動として現れます。「ゴーストイメージング」とは異なり、この手法は二光子間の同時計数を記録する必要はなく、どちらの経路でペアが生まれたかを知り得る可能性があること自体が可視像を形作るのに十分です。

あえて別の色で光を整形する

多くの現代的な顕微鏡では、空間周波数ごとに像の異なる詳細が対応するフーリエ面に空間光変調器（SLM）が配置されます。これらの周波数の位相を変えることで、点拡がり関数を設計し、コントラストを強めたり像の収差を補正したりエッジを強調したりできます。しかし、一般的な液晶SLMは中赤外波長では性能が劣ります。ここでの重要な工夫は、可視光子の経路に可視波長用のSLMを置きつつ、それを用いて赤外像の見え方を操作する点です。干渉パターンは両方のビームの位相に依存するため、可視ビームにのみ適用した位相マスクが、結果として赤外試料からカメラへ情報がどのように転送されるかを有効に再形成します。

らせんトリックでエッジを際立たせる

チームはこの考えを、中心点の周りで滑らかに位相がねじれる「らせん位相マスク」として知られる特定のフーリエフィルタで実証しました。従来の光学系では、このマスクは物体中の各点をドーナツ状のパターンへとぼかし、その内部位相が一様領域では破壊的干渉を、急峻な変化のある場所では構成的干渉を生じさせます。その結果、滑らかな領域は暗くなりエッジが明るくなって全方向のエッジ強調が得られます。可視光SLM上にらせんパターンを表示することで、研究者たちは赤外ビーム中のみに存在する物体について同じエッジ強調効果を得ました。明視野像とそのらせんフィルタ処理像は、エッジが暗から明へ反転し背景が平坦化されることを示しており、その間に赤外光がSLMやカメラに到達することはありません。

より鋭い赤外視のための一歩

著者たちはシステムの解像度と視野を特性評価し、測定性能が理論予測と良く一致することを示すとともに、残留縞やビーム上の有限なSLMピクセル数によるコントラスト制限などの実務上の課題について議論しています。干渉計の構成を変えたり、より細かいピクセルのSLMを用いたりすることで安定性と効率を改善する方法を概説しています。総じて、この概念実証は可視光のみのプログラム可能な光変調器が赤外情報を可視像へ変換する方式を制御できることを示しており、適切なカメラや変調器が乏しい波長域での試料のエッジ強調表示を可能にします。長期的には、このアプローチにより赤外領域で暗視野や位相コントラスト顕微鏡のような強力なコントラスト技術を、赤外光を直接検出することなく導入できる可能性があります。

引用: Wolley, O., Pearce, E., Mekhail, S.P. et al. Spiral phase infrared imaging with undetected photons using a visible wavelength spatial light modulator. Sci Rep 16, 14130 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43775-3

キーワード: 量子イメージング, 赤外顕微鏡, 空間光変調器, エッジ強調, らせん位相コントラスト