近赤外イメージングにおける散乱の克服
近赤外光は、医療診断から自動運転センサーまで、現代のイメージングにおいて欠かせない存在です。可視光とは異なり、特定の材料を透過できますが、生体組織や霧などの複雑な媒体を通過する際には依然として散乱の影響を受けます。この散乱により光子が経路から逸れ、画像がぼやけたり使用できなくなったりします。従来の解決策は高価で特殊な検出器に依存しており、アクセスが制限されていました。
ロチェスター大学の研究者らは、コストと鮮明さの両方に対処する新しいイメージングシステムを導入しました。安価なシリコンベースの検出器とタイムゲーティングと呼ばれる技術を使用することで、システムは近赤外光をリアルタイムで可視光に変換し、散乱環境を通してより鮮明な画像を生成します。この研究はNature Communicationsに掲載され、手頃な価格で高性能なイメージングへの重要な一歩となります。
タイムゲーティングの原理
タイムゲーティングはカメラのシャッターのように機能しますが、機械的な機構ではなく、超高速の光パルスを使用して光子の通過を制御します。筆頭著者のYang Xu氏は、「従来のカメラでは、シャッターは機械式で、開くと光が入り、閉じると光が遮断されます。この場合、光を使って光を制御します」と説明します。
ゲートは酸化インジウムスズ（ITO）でできた薄膜です。ゲートが開いている間に近赤外光子が膜に当たると、可視光に変換され、標準的なシリコン検出器で捉えることができます。ゲートが開く時間は約1ピコ秒（光が文の終わりのピリオドの長さを進むのにかかる時間）だけです。この超高速ゲーティングにより、後から到着する散乱光子が効果的に除去され、鮮明な画像を運ぶ弾道（非散乱）光が保持されます。
既存システムに対する利点
現在の近赤外イメージングシステムは、多くの場合、インジウムガリウムヒ素などの特殊な材料で作られた検出器に依存しており、これらは高価で広く入手できません。ロチェスターのシステムは、日常の電子機器で使用されるのと同じ材料であるシリコンを活用し、コストを大幅に削減します。さらに、タイムゲーティングアプローチは、従来の近赤外システムを悩ませてきた散乱媒体での画質を向上させます。
この技術は、ウィリアム・F・クラプケ特別教授（光学）のRobert Boyd氏の研究室で10年以上にわたって改良されてきました。チームの粘り強い努力により、さまざまな用途に適応できる実用的な実装が実現しました。
潜在的な応用
深部組織を鮮明に透視できる能力は、医療イメージングを向上させ、侵襲的な処置なしに腫瘍やその他の異常の検出を支援する可能性があります。自動運転では、このシステムは車両が霧の中をナビゲートするのに役立ち、安全性を向上させます。その他の潜在的な用途には、環境モニタリング、セキュリティスクリーニング、産業検査などがあり、遮蔽物を通して見ることが重要です。
今後の方向性
研究者らは現在、視野の拡大や変換効率の向上など、システムをさらに最適化する方法を模索しています。また、実験室でのデモから実用的な展開へと移行し、実際のシナリオで技術をテストすることを目指しています。低コストで高性能なこのタイムゲーティング技術は、散乱が課題となるイメージング用途において、まもなく標準的なツールになる可能性があります。
この記事はPhys.orgの報道に基づいています。元の記事を読む。
Originally published on phys.org
