ワンクリックで情報キャプチャ、高次元光場検出器はそんなに強力ですか?

制作：中国科学普及協会

著者: 蔡明軒 (中国科学院長春光学・精密機械物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：科学技術の仕事の謎を解明するために、中国の最先端技術プロジェクトは「私と私の研究」と題する一連の記事を立ち上げ、科学者に独自の記事を書いて科学研究の経験を共有し、科学の世界を創造するよう呼びかけました。科学技術の最前線に立つ探検家たちと一緒に、情熱、挑戦、驚きに満ちた旅に出ましょう。

情報技術の急速な発展に伴い、さまざまな分野における光場センシング技術の重要性がますます高まっています。光場には光の強度だけでなく、偏光、周波数、位相などの多次元情報も含まれます。この情報は、物質の組成と表面形態を明らかにするために非常に重要であり、光通信、リモートセンシング、産業検出、医療診断、化学分析、環境保護など幅広い応用価値を持っています。

スペクトルと偏光検出

スペクトル検出と偏光検出は、重要な情報を取得するための主な手段です。スペクトル検出は、光のさまざまな波長成分を分析することによって情報を取得します。光を波長や周波数ごとに分解した分布図です。それぞれの物質は異なる波長で光の吸収と反射の特性が異なるため、スペクトルは重要な情報を含む「身分証明書」のようなものです。スペクトル特性を分析することで、物質に関する詳細な情報を得ることができます。

たとえば、植物が反射するスペクトルを分析することで、植物の健康状態を判断できます。星の光のスペクトルを分析して星の化学組成と運動を理解する。化学では、スペクトルを分析することで溶液中のさまざまな化学成分の濃度を判定できます。

光の偏光状態は光波の振動の方向を指します。光波の振動方向を解析することで、物体の表面形態、分子構造、応力分布などの情報を明らかにすることができます。光の偏光はベクトル特性です。光が異なる媒体を通過すると、その偏光状態は変化します。

人間の目は、光の強度、色（波長）、位相情報を直接的または間接的に観察できますが、光の偏光状態を知覚することはできません。そのため、偏光光学の研究と応用は後から始まり、より複雑になっています。

偏光検出はいくつかの分野に応用できます。工業検査の分野では、偏光検出によって金属表面の小さな亀裂やその他の欠陥を検出し、製品の品質と信頼性を確保できます。リモートセンシングの分野では、地表から反射された光の偏光状態を分析することで、異なる種類の植生や土壌を区別し、さらには油汚染などの環境問題も検出できるため、従来のリモートセンシングよりも豊富な情報が提供され、環境監視や天然資源管理に役立ちます。生物医学の分野では、偏光顕微鏡を使用して細胞や組織の構造変化を観察することができ、医師がより正確な診断を行うのに役立ちます。

従来の検出器の問題点と限界

既存の偏光検出器およびスペクトル検出器は、通常、固定波長での偏光情報、または固定偏光状態でのスペクトル情報しか取得できません。しかし、自然界の多くの場面では、光場は広いスペクトル範囲にわたって任意の偏光と強度の変化を伴うことがあります。

既存の偏光検出器とスペクトル検出器には、主に 2 つの問題があります。1 つ目は、検出能力が必要な時間やスペースに比例することです。第二に、広いスペクトル範囲にわたって任意に変化する偏光と強度を持つ高次元の光場情報を正確に検出することができません。

上記の問題を解決するために、中国科学院長春光学・精密機械・物理研究所の李偉研究員のチームとシンガポール国立大学の邱成偉教授のチームが協力し、分散面に基づく高次元光場検出器を開発しました。

この新しい検出器により、単一のデバイスと単一の測定を使用して、広帯域スペクトル範囲にわたって任意に変化する偏光と強度を持つ高次元光場の包括的な特性評価が可能になります。この画期的な研究により、ライトフィールド情報の検出能力が大幅に向上し、検出の柔軟性と効率が大幅に向上し、高次元ライトフィールド検出の新たな展望が開かれました。

従来の光検出方法との比較の模式図

（画像出典：分散支援型高次元光検出器）

高次元光場検出器の開発

この研究の核となる革新は、単純な薄膜インターフェースと空間分散および周波数分散の特性を利用して、光の高次元情報を波数ベクトル空間に投影することです。この設計により、従来のスペクトル検出器と偏光検出器の複雑な構造が簡素化されるだけでなく、検出効率と精度も大幅に向上します。

まず、薄膜界面は屈折率の異なる 2 つの材料間の遷移であることを理解することが重要です。それは光の「選別」ステーションのようなものです。光がこれらの界面を通過すると、屈折率の違いにより光の伝播方向と速度が変化し、屈折と反射が生じます。これにより、異なる波長と偏光状態の光がさまざまな方法で影響を受けます。

たとえば、光の一部の波長は界面で強く反射される一方、他の波長の光は界面を通過して伝播し続ける場合があります。研究チームは、フィルムの厚さと材料の組み合わせを設計することで、波数ベクトル空間における光の周波数と偏光の両方に対する感度を実現することができました。

膜の材料と構造を選択する際には、材料の魔法が作用します。研究チームは、可視光帯域で「透過率が高い」二酸化チタン（TiO₂）と二酸化ケイ素（SiO₂）という2つの材料を主な材料として選びました。透過率が高いということは、光がこれらの材料を通過するときに高いエネルギー伝達効率を維持できることを意味し、それによって検出器の感度と精度が向上します。さらに、これらの材料の光学特性により、さまざまな波長と偏光状態で望ましい散乱および屈折効果を生み出すことができ、それによって光場情報の効率的なエンコードを実現します。

光の周波数と偏光に対するこの感度は、共鳴的に簡単に設計および増幅することができ、これを実証するために研究チームはファブリ・ペロー共振器を構築しました。ファブリ・ペロー共振器は、互いに平行で反射率の高い 2 つのミラーで構成されています。キャビティ内で光の多重反射を利用することで、異なる波長と偏光状態の光が異なる干渉効果を経験し、それによってキャビティ内で特定の伝送特性を生み出します。このようにして、光の周波数と偏光に対する感度がさらに向上します。

単一の高次元検出法の概略図

（画像出典：分散支援型高次元光検出器）

さらに、両面に多層薄膜構造を積み重ねることで、研究チームは広帯域スペクトル検出だけでなく、完全なストークス偏光検出も実現しました。フルストークス偏光検出は、光の偏光状態を表す 4 つのストークスパラメータ (S₀、S₁、S₂、S₃) を同時に測定し、光の偏光特性に関する完全な情報を提供できる高度な光学特性評価技術です。

これら 4 つのパラメータは、光の総強度、水平/垂直方向と +45°/-45° 方向の直線偏光強度の差、および左回り/右回りの円偏光強度の差を表します。従来の偏光検出方法では通常、1 つまたは 2 つのパラメータしか測定できないため、光の偏光状態を完全に特徴付けることは困難です。

複雑なライトフィールドデータから有用な情報を抽出するために、研究チームはデコードにディープ残差ネットワーク (ResNet) を使用しました。 ResNet は一般的なニューラル ネットワーク アーキテクチャです。 ResNet は複雑な迷路の近道として想像できます。これらのショートカットは、モデルが出口、つまりデータ内の有用な情報をより迅速に見つけるのに役立ち、ネットワークをより深く効率的にトレーニングできるようになります。

ResNet は他のニューラル ネットワーク構造と比較して、学習効果とトレーニング時間の点で優れており、高次元のマトリックス データを効率的に処理できます。

設計された薄膜インターフェースとキャビティ構造を光が通過すると、光の偏光とスペクトル情報が複雑な 2 次元透過分布情報にエンコードされます。この情報は高解像度カメラによって記録され、事前トレーニング済みの ResNet モデルに入力されます。

複雑な偏光とスペクトル情報が同時にエンコードされ、追加のシステムノイズが実験に導入されるため、初期段階で使用される他の情報抽出方法では、直線偏光状態の抽出と分析しか実現できません。研究チームはテストを通じて、最終的に ResNet モデルが高次元情報を正常に抽出できることを確認しました。

より効率的で正確な光場検出を実現

高次元光場検出器の実際の検出効果を検証するために、研究チームは実験テストのために2つの典型的な高次元光場を選択しました。1つは2色二重偏光レーザー場であり、もう1つは金の表面に照射された広帯域光によって生成される反射光場です。これら 2 つの光場は複雑な偏光とスペクトルの情報を持ち、検出器の性能を検証するのに最適です。

これらの実験で、研究チームは、設計された高次元光場検出器が、単一の測定でこれらの複雑な光場の情報を正確に検出できることを実証しました。

たとえば、2色2偏光レーザー場のテストでは、検出器は2つの異なる波長と偏光状態の光場情報を同時に取得し、それらのスペクトル特性と偏光特性を正確に復元できます。広帯域光反射実験では、検出器は反射光場における各波長の強度と偏光状態の変化も捉えることに成功し、光場情報をより包括的に記述できるようになりました。

検出器の統合性と利便性をさらに実証するために、研究チームはフィルムをマイクロレンズアレイと大面積イメージングセンサーアレイと「サンドイッチ」方式で組み合わせ、位置合わせを必要とせずシングルショット測定を実行できる超統合型高次元ライトフィールドイメージャーを開発しました。

イメージング装置は、1回の撮影で対象の偏光情報とスペクトル情報を同時に取得できるため、高精度かつ高次元の画像化を実現します。この設計により、実験セットアップの複雑さが軽減されるだけでなく、検出効率と精度も大幅に向上します。

高次元光検出器とイメージング装置の実験

(画像出典: 分散支援型高次元光検出器)

今後、研究チームは他の広帯域範囲でも同様の高次元検出効果を実現し、屋外シーンでの高次元検出など、実用的なアプリケーションでの高次元検出システムを模索する予定です。同時に、メタサーフェスや 2 次元材料などの材料システムを使用することで、検出器をさらに小型化し、より効率的で正確な光場検出を実現するために必要な事前データの量を削減できます。

参考文献:

1.Fan、Y.、Huang、W.、Zhu、F. 他。分散支援型高次元光検出器。ネイチャー630、77–83（2024）。