産総研、極めて弱い光でもカラー画像を観察できる「光子顕微鏡」を開発

産業技術総合研究所(産総研)は4月5日、従来の光学顕微鏡では観測できない極めて弱い光でも明瞭なカラー画像を観察できる「光子顕微鏡」を開発したと発表した。

同成果は、産総研物理計測標準研究部門量子光計測研究グループ 福田大治研究グループ長、丹羽一樹主任研究員らの研究グループによるもので、4月4日付けの英国科学誌「Scientific Reports」に掲載された。

通常、試料をカラー観測する際には、白黒画像しか得られない電子顕微鏡ではなく、光学顕微鏡が用いられる。光学顕微鏡は、試料からの光をレンズで集光してCMOSカメラなどの光検出器で観察するが、試料からの光が極めて弱く光検出器の検出限界を下回る場合には観測できない。

産総研ではこれまでに、超伝導現象を利用した超伝導光センサの開発を進めており、光の最小単位である光子を1個ずつ検出し、光子の波長も識別できる光センサを実現している。今回の研究では、この超伝導光センサを光学顕微鏡の光検出器に用いることで、光子顕微鏡を開発した。

光子顕微鏡では、観察する試料のある場所からの極微弱光をレンズ系で集光し、冷凍機内で100mKに維持された超伝導光センサへと光ファイバを利用して光子を誘導。到達した光子を、超伝導光センサで1個ずつ分離検出してそのエネルギーを測定し、ある一定の時間内に到達した光子の数とそれぞれの波長から、測定場所の試料の色を識別する。この測定を場所ごとに繰り返すことで、カラー画像が構築できる。

光子顕微鏡の概略図 (出所:産総研Webサイト)

カラーCMOSカメラを用いた一般的な光学顕微鏡では色を見分けることが困難であったカラー印刷のテストパターンでも、光子顕微鏡では、赤、黄、青の各色を明瞭なコントラストで識別できることが確認されている。なお、同測定における1測定点あたりの光子数は、平均して20個程度(露光時間50ms)であり、これは0.16fW程度の極微弱な光強度に相当するという。

(a)光学顕微鏡と(b)光子顕微鏡で撮影した画像 (出所:産総研Webサイト)

同研究グループは今後、生体細胞からの発光や化学物質の蛍光などを観察し、今回開発した光子顕微鏡のさらなる有効性を実証していく考えだ。そのほか、超伝導光センサの高感度化などによって改良を進めるとともに、超伝導光センサの多素子化により、試料からの極微弱な発光や蛍光のカラー動画を撮影できる技術の開発にも取り組んでいくとしている。



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