Wide-field mid-infrared single-photon upconversion imaging

あなたは、暗闇で光る何かを撮影しようとしていると想像してください。しかし、あなたのカメラは可視光（ランプの光のようなもの）しか捉えることができず、その物体は「目に見えない」赤外線で光っています。

長い間、科学者たちはこれを解決するための巧妙なトリックを使用してきました。彼らは、翻訳機として機能する特別な結晶を使用します。この結晶は、目に見えない赤外線を、標準的なシリコンカメラ（スマートフォンのもののような）が見ることができる可視光へと瞬時に変換します。これは**周波数上変換（frequency upconversion）**と呼ばれます。

しかし、このトリックには大きな問題がありました。その結晶は非常に「偏屈」だったのです。結晶は、まるで小さなストローを覗き込むように、非常に狭い角度から来る光しか翻訳できませんでした。もし物体が広すぎたり、光が横から来たりすると、結晶は翻訳を拒否してしまいます。全体の姿を見るためには、対象物や結晶をゆっくりとスキャンし、多くの小さなスナップショットを撮って、パズルのように繋ぎ合わせる必要がありました。これは時間がかかり、複雑な作業でした。

大きなブレイクスルー
この論文において、研究者たちは全く偏屈ではない、新しい種類の「翻訳機」となる結晶を作り上げました。彼らは、内部構造が端から端へと徐々に変化する（傾斜路や階段のような）特別な結晶を使用しました。これにより、この結晶は非常に幅広い角度から来る光を一度に受け入れることができます。

彼らがどのようにこれを達成したのか、簡単な比喩を用いて説明します。

1. 「チャープ」結晶（調整可能なスロープ）

従来の結晶を、単一の平坦なスロープ（傾斜路）だと考えてみてください。ボール（光）がそこを登れるのは、非常に特定の角度から来た場合だけです。もし横から来れば、ボールは脱落してしまいます。

新しい結晶は、進むにつれて傾斜が変わる、長く湾曲したスロープのようなものです。ボールがどの角度から来ても、その傾斜が完璧に一致する場所がスロープ上のどこかに存在するため、ボールはスムーズに登ることができます。これにより、カメラは一度のショットで約30度という非常に広い視野を持つことができるようになりました。これは従来のメソッドよりも10倍以上広いです。スキャンしたり画像を繋ぎ合わせたりする必要はありません。ただシャッターを切るだけです。

2. 「超高感度な目」で不可視を見通す

研究者たちはまた、このシステムが驚異的な感度を持っていることも示しました。彼らは、光がほとんどない状態――わずか**1パルスあたり1フォト（光子1個）**という状態――で写真を撮ることに成功しました。

どのようにして？想像してみてください、騒がしい部屋の中でささやき声を聞こうとしている場面を。

• ノイズ： 通常、光を変換するプロセスでは、多くの背景「静電気」やノイズが発生します。
• フィルター： 研究者たちは「スペクトル・時間フィルター」を使用しました。これは、非常に厳しいクラブのドアマンのようなものです。ドアマンは、特定の色のシャツを着ており（波長）、かつ特定の瞬間に到着した（パルス・タイミング）人（光）だけを通し、それ以外は全員追い出します。
• 結果： 背景ノイズが非常に効果的に排除されるため、高価な冷却装置を必要とせず、室温でもこの「ささやき声（フォト）」を明確に検出できるのです。

3. 「超高速シャッター」（高速ビデオ）

このシステムは非常に効率的でカメラも速いため、通常の赤外線カメラでは不可能な速度で撮影できます。

• 彼らは、秒速31メートル（時速約70マイル）で回転する物体を撮影しました。
• これを毎秒216,000フレームの速度で捉えました。
• 比較してみましょう。通常のビデオは秒間30フレームです。このシステムは非常に速いため、弾丸や化学反応の時間を止めることができるほどです。

4. 「3Dタイムマシン」

最後に、彼らは奥行きを見るための機能を追加しました。光のパルスがいつ送られ、いつ戻ってきたかを正確に把握できるため、彼らはタイムマシンのように振る舞うことができます。

• 壁の背後に鏡がある壁に、懐中電灯を照らしている場面を想像してください。光は壁で跳ね返り、次に鏡で跳ね返り、そして戻ってきます。
• システムは非常に高速であるため、「最初の跳ね返り」（壁）と「二度目の跳ね返り」（鏡）を、それらが到着する時間のわずかな差によって区別できます。
• 特定の時刻に到着する光だけを選択することで、彼らは物体の前後を分離した3D画像を構築できるのです。

彼らが実際に主張していること

この論文は、この新しいシステムが以下のことを実現できることを実証しています。

• 赤外線のワイドアングル写真を、スキャンなしで一度のショットで撮影できること。
• 単一のフォト（光子）を検出できること（極めて高感度）。
• 最大毎秒216,000フレームの速度でビデオを記録できること。
• 光が跳ね返ってくる時間を測定することで、3D画像を作成できること。

著者らは、これらの機能が以下のような分野ですぐに役立つと考えています。

• 材料を壊さずに欠陥をチェックすること（コンピュータチップの内部を見るようなケース）。
• 体内の医学的検査（バイオメディカル検査）。
• 物体の3Dスキャン（ボリューム・トモグラフィー）。

要するに、彼らは、遅くて、視野が狭く、偏屈な赤外線カメラを、標準的なシリコンカメラを使いながら、高速で、広角で、超高感度で、そして3D対応のカメラへと変貌させたのです。