微弱な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：医療機器ニュース

産業技術総合研究所は、従来の光学顕微鏡では観測できない微弱な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。顕微鏡の光検出器に超電導光センサーを用いることで、光学顕微鏡の検出限界を大幅に超えることに成功した。

[MONOist]

　産業技術総合研究所は2017年4月5日、従来の光学顕微鏡では観測できない微弱な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。同研究所物理計測標準研究部門量子光計測研究グループの福田大治研究グループ長、丹羽一樹主任研究員によるもので、成果は同月4日、英科学誌「Scientific Reports」電子版に掲載された。

　同研究所はこれまで、超電導現象を利用した超電導光センサーの開発を進め、光子を1個ずつ検出して色に関わる光子の波長も識別できる光センサーを開発している。今回、この超電導光センサーを光学顕微鏡の光検出器として用いて、従来の光学顕微鏡の検出限界を大幅に超える「光子顕微鏡」を開発した。

　同顕微鏡では、観察試料のある場所から発する極微弱光をレンズ系で集光し、光ファイバーで冷凍機内の超電導光センサー（温度100mK）へと光子を導く。それをセンサーで1個ずつ分離・検出してエネルギーを測定し、一定時間内に到達した光子の数とそれぞれのエネルギーから、測定場所の試料の色を識別する。試料を走査して、場所ごとに同測定を繰り返すことで、カラー画像が構築できる。

　性能を実証するため、カラー印刷したテストパターンを極微弱光で照らし、カラーCMOSカメラを用いた一般的な光学顕微鏡と、今回開発した光子顕微鏡で、それぞれ反射光を撮影して比較した。光学顕微鏡では、試料からの反射光が微弱だと色を見分けることが困難だったが、光子顕微鏡では赤／黄／青の各色をはっきりと識別できた。この測定では、1測定点あたりの光子数は平均20個程度（露光時間50ms）で、これは0.16fW（フェムトワット）程度の極微弱な光強度に相当する。こうした極めて弱い光でカラー画像を得られたのは世界初だという。

　超電導光センサーは、可視光領域の光子だけでなく、紫外光や赤外光領域も含む広い波長領域の光子を識別でき、スペクトル測定も可能だ。そのため、今回の光子顕微鏡は、さまざまな物質からの光子をその物質に特徴的な波長から識別し、複数の物質を同時かつ高感度に観察できる。また、生体細胞の微弱発光の観察や微量化学物質の蛍光分析など、医療／バイオ分野や半導体分野の研究開発／製品開発においても活用が期待される。

開発した光子顕微鏡（プロトタイプ）の全体写真 出典：産業技術総合研究所

光子顕微鏡の概略図 出典：産業技術総合研究所

（a）光学顕微鏡（カラーCMOSカメラ）と（b）今回開発した光子顕微鏡で撮影した画像 出典：産業技術総合研究所