Mid-infrared single-pixel imaging at the single-photon level

技術要約：単一光子レベルにおける中赤外線シングルピクセルイメージング

問題提起
中赤外線（MIR）イメージングは、生物学的診断、工業検査、分子分光法などのアプリケーションにおいて極めて重要である。しかし、高感度な中赤外線イメージング、特に低光子束シナリオ（例：微量特性評価や光毒性のない生物学的検査）において高感度を実現することは、依然として大きな課題である。従来の焦点面アレイ（FPA）は、高い暗電流ノイズ、低い画素数、熱感受性、および極低温冷却の必要性といった制限に直面している。新興の低次元材料は室温でのセンシングの可能性を提供しているものの、暗電流の抑制や広面積の堆積に苦慮している。

さらに、シングルピクセルイメージング（単一素子検出器と空間符号化を用いたコスト効率の高い代替手法）は、主に可視光または近赤外線帯域に限定されてきた。これを中赤外線領域に拡張することは、主に2つの要因によって阻害されている。一つは、中赤外線波長に対する単一光子検出器の欠如であり、もう一つは、従来の空間光変調器（SLM）における長波長での性能制限である。液晶SLMやデジタルマイクロミラーデバイス（DMD）は、中赤外線において寄生回折効果や変調精度の低下に悩まされており、新興のメタサーフェス変調器は現在、低画素数の初期開発段階にある。その結果、中赤外線におけるシングルピクセル計算機イメージングは、これまで実現されてこなかった。

手法
著者らは、非線形構造検出に依存する、中赤外線シングルピクセルイメージングのための周波数アップコンバージョン・アプローチを提案している。核心となる革新は、近赤外線（NIR）の構造化ポンプ光を用いて、中赤外線の物体画像を間接的に変調およびスペクトル変換することである。

1. 非線形構造検出: 本システムは、周期分極リチウムナイオベート（PPLN）結晶内での和周波発生（SFG）を利用する。中赤外線信号（3070 nm）は物体を通過して結晶に入射する。同時に、標準的なDMDによって空間パターン化された同期した近赤外線ポンプ光が、中赤外線ビームと結合される。
2. 光学的インプリント: SFGプロセスを通じて、近赤外線ポンプの空間強度パターンが中赤外線物体画像上に光学的にインプリントされる。得られるアップコンバートされた電場強度は、中赤外線信号とポンプパターンの積（$I_{up} \propto I_s \times I_p$）に比例する。これにより、成熟した高解像度の近赤外線SLMを使用して、中赤外線放射の空間変調を定義することが可能になる。
3. スペクトル変換: 非線形相互作用は、同時に中赤外線フォトンの可視光スペクトル（771 nm）への変換を行う。このスペクトルシフトにより、特殊な中赤外線フォトカウントの必要性を回避し、高性能な室温シリコンベースの検出器（フォトダイオードまたは単一光子計数モジュール）の使用が可能になる。
4. 再構成: システムは、一連のポンプパターンに対して、アップコンバートされた光の総強度を測定する。画像再構成には以下を用いる：
   • アダマール符号化: 標準的なイメージング用。補完的なパターン間の微分強度測定を用いてノイズを抑制する。
   • 圧縮センシング: サブナイキストサンプリング用。ランダムマスクとプライマルデュアルアルゴリズムを利用する。
   • ディープラーニング: 極めて低い光子束およびアンダーサンプリングされたデータから画像を復元するために、深層畳み込みニューラルネットワークに基づいたプラグアンドプレイ型デノイザーが採用されている。

主な貢献

• 中赤外線単一光子計算機イメージングの初の実証: 本論文は、中赤外線領域における単一光子レベルでのシングルピクセルイメージングの初の実装を報告している。
• 室温動作: 本システムは、シリコン検出器を用いて室温で単一光子感度を達成しており、極低温冷却を不要としている。
• 間接的高忠実度変調: 非線形周波数アップコンバージョンを活用することで、本手法は直接的な中赤外線SLMの回折限界と変調効率の低さを回避し、代わりに高解像度の近赤外線DMDを利用できる。
• 超低光量能力: 本システムは、同時パルスポンプとスペクトル・時間的最適化を用いて背景ノイズを最小限に抑えることで、1パルスあたり0.5フォトンの低さの照明強度でのイメージングを実証している。

実験結果

• イメージング性能: 著者らは、16×16および64×64ピクセルの解像度で、透過マスク（4つの文字）の画像を再構成することに成功した。
• リアルタイムビデオ: 16×16ピクセルにおいて、中赤外線物体のリアルタイムビデオを10 Hzのフレームレートで記録した。
• 光子希薄イメージング: 100から0.5フォトン/パルスまでの範囲の光子束で、高コントラストの画像が得られた。フォトンの減少と蓄積時間の長期化（最大1秒）に伴い画像ノイズは増加したが、信号は回収可能であった。
• 圧縮イメージング: 25%のアンダーサンプリング比（サブナイキスト取得）を用いて、ランダムパターンから画像を再構成した。ディープラーニングによるデノイザーの適用により、1フォトン/パルスという条件下でも、本来であれば画像を覆い隠してしまうノイズを効果的に抑制し、高コントラストな画像の復元が可能となった。
• 解像度: 到達した空間解像度は約91 µmであり、これは非線形結晶の開口数（NA）および位相整合帯域幅によって制限されている。

意義および主張
本論文は、このパラダイムが、高感度フォトカウンターや高忠実度空間変調器へのアクセスが困難、あるいは極めて高価である長波長赤外線およびテラヘルツ周波数領域における、高感度イメージングへの新しい道を確立すると主張している。

その意義は、シングルピクセルの簡便性、単一光子感度、および室温動作の組み合わせにある。非線形アップコンバージョンを介して、空間変調（近赤外線光学系が担当）と検出（可視光シリコン検出器が担当）を分離することで、本システムは中赤外線シングルピクセルイメージングの歴史的なボトルネックを克服している。著者らは、このアプローチが、複雑な極低温中赤外線検出器アレイのインフラを必要とせずに、隠密イメージング、不透明材料の検査、光毒性のない生物学的検査を含む、低光子束シナリオへの応用への可能性を開くと示唆している。