JP7431429B2 - Spectroscopic image generation device - Google Patents

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Description

本発明は、分光画像生成装置に関する。 The present invention relates to a spectral image generation device.

従来から生物科学等の様々な分野において微弱光イメージング技術が利用されている。微弱光イメージング技術は、撮像対象に微弱光を照射して撮像対象の画像を生成するため、光の照射により撮像対象が受けるダメージが少ないという利点を有する。 2. Description of the Related Art Low-level light imaging technology has been used in various fields such as biological science. The weak light imaging technique generates an image of the imaging target by irradiating the imaging target with weak light, and therefore has the advantage that the imaging target suffers less damage due to light irradiation.

例えば、微弱光イメージング技術の一例として、特許文献１に開示されている極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムが挙げられる。この極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムは、アッテネータを含む極微弱光源、デジタルマイクロミラーデバイス及び単一光子検出器を備え、分光画像のイメージングに用いられる。 For example, as an example of a weak light imaging technique, there is an extremely weak light multidimensional imaging spectrum system disclosed in Patent Document 1. This ultra-weak light multidimensional imaging spectral system includes an ultra-weak light source including an attenuator, a digital micromirror device, and a single photon detector, and is used for imaging spectroscopic images.

特表２０１４－５３１０３２号公報Special table 2014-531032 publication

しかし、この極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムは、単一光子検出器が光子のエネルギーを検出するものではないため、撮像対象の鮮明な分光画像を生成し得ないことがある。また、この極微弱光多次元イメージングスペクトルシステムは、波長が既知である可視光領域の極微弱光を撮像対象に照射し、撮像対象の分光画像を生成することができるものの、撮像対象自体が発光している場合、当該発光を当該分光画像に反映させ得ないことがある。 However, in this ultra-weak light multidimensional imaging spectral system, since the single photon detector does not detect the energy of photons, it may not be possible to generate a clear spectral image of the imaged object. In addition, although this ultra-weak light multidimensional imaging spectral system can generate a spectral image of the imaging target by irradiating the imaging target with extremely weak light in the visible light region with a known wavelength, the imaging target itself does not emit light. In this case, the light emission may not be reflected in the spectral image.

そこで、本発明は、光の照射により撮像対象が受ける影響を低減しつつ、撮像対象の鮮明な分光画像を生成することができる分光画像生成装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a spectral image generation device that can generate a clear spectral image of an object to be imaged while reducing the influence of light irradiation on the object to be imaged.

本発明の一態様は、レーザ光を出力するレーザと、非線形光学過程により前記レーザ光から量子もつれ光子対を生成して出力する非線形光学結晶とを含み、エネルギーが異なる光子対を出力する光源と、前記光源により出力された光子のうち、第１波長を有する光子を反射させて撮像対象を含む第１光路に導光し、前記第１波長と異なる第２波長を有する光子を通過させて前記撮像対象を含まない第２光路に導光する鏡と、前記第１光路上に備えられ、前記第１光路に導光された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記第１光路に導光された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、前記第１光路上に備えられる超伝導転移端センサであって、前記撮像対象を透過した又は前記撮像対象に反射された光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する第１光子検出器と、前記第２光路上に備えられる超伝導転移端センサであって、前記第２光路に導光される光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する第２光子検出器と、前記第１光子検出器及び前記第２光子検出器が実行した処理の結果を使用して、量子もつれ光子対ではない光子によるノイズを低減させた、前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、を備える分光画像生成装置である。 One aspect of the present invention includes a laser that outputs laser light, and a nonlinear optical crystal that generates and outputs quantum entangled photon pairs from the laser light through a nonlinear optical process, and a light source that outputs photon pairs with different energies. Among the photons output by the light source, photons having a first wavelength are reflected and guided to a first optical path including the imaging target, and photons having a second wavelength different from the first wavelength are passed through the photon. a mirror that guides light to a second optical path that does not include the imaging target; and a mirror that is provided on the first optical path to reflect the photons guided to the first optical path and transmit them through the imaging target; a digital micromirror device that reflects photons, reflects photons reflected by the imaging target, or reflects photons guided to the first optical path toward the imaging target, and is provided on the first optical path. A superconducting transition edge sensor comprising: a first photon detector that performs a process of detecting photons transmitted through the imaging target or reflected by the imaging target and a process of measuring the energy of the photons; A superconducting transition edge sensor provided on two optical paths, comprising: a second photon detector that performs a process of detecting photons guided to the second optical path and a process of measuring the energy of the photons; a spectral image generation unit that generates a spectral image of the imaging target in which noise due to photons that are not quantum entangled photon pairs is reduced using the results of processing performed by the one-photon detector and the second photon detector; This is a spectral image generation device comprising:

本発明によれば、光の照射により撮像対象が受ける影響を低減しつつ、撮像対象の鮮明な分光画像を生成することができる。 According to the present invention, it is possible to generate a clear spectral image of an imaging target while reducing the influence of light irradiation on the imaging target.

本発明の実施形態に係る分光画像生成装置の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a spectral image generation device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態に係る分光画像生成装置の一例を示す図である。1 is a diagram showing an example of a spectral image generation device according to an embodiment of the present invention.

図１を参照しながら、実施形態に係る分光画像生成装置の一例を説明する。図１は、本発明の実施形態に係る分光画像生成装置の一例を示す図である。図１に示すように、分光画像生成装置１ａは、光源１１と、ダイクロイックミラー１２と、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）１３ａと、光子検出器１４ａと、光子検出器１５と、分光画像生成部１６とを備える。 An example of a spectral image generation device according to an embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing an example of a spectral image generation device according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the spectral image generation device 1a includes a light source 11, a dichroic mirror 12, a digital micromirror device (DMD) 13a, a photon detector 14a, a photon detector 15, and a spectral image generator 1a. and an image generation section 16.

光源１１は、エネルギーが異なる光子を含む微弱光を出力する。例えば、光源１１は、エネルギーが互いに異なる光子が含まれている数個から数千個の光子を出力する。ただし、光源１１が出力する光子の数は、所定の観測時間内において、必ずしも数個から数千個に限定されるわけではない。また、光源１１は、エネルギーが互いに異なる光子を出力する。これらの光子は、例えば、単一光子状態又は光子対状態にある光子であってもよい。 The light source 11 outputs weak light containing photons with different energies. For example, the light source 11 outputs from a few to several thousand photons, including photons with different energies. However, the number of photons output by the light source 11 is not necessarily limited to several to several thousand within a predetermined observation time. Further, the light source 11 outputs photons having different energies. These photons may be, for example, photons in a single photon state or a photon pair state.

また、光源１１は、図１に示すように、レーザ１１１と、チャープ擬似位相整合非線形光学結晶（ＣＱＰＭ－ＮＣ：Chirped Quasi-Phase Matching Nonlinear Optical Crystal）１１２とを備える。レーザ１１１は、レーザ光を出力する。このレーザ光の波長は、例えば、３５５ｎｍ（ナノメートル）である。チャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２は、非線形光学過程によりレーザ光から量子もつれ光子対を生成して出力する非線形光学結晶の一例である。例えば、チャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２は、パラメトリック下方変換（ＰＤＣ： Parametric Down Conversion）によりレーザ１１１が出力したレーザ光から超広帯域量子もつれ光子対Ｐを生成して出力する。超広帯域量子もつれ光子対Ｐは、例えば、短波長赤外領域に含まれる波長１５５０ｎｍを有する光子及び可視光領域に含まれる波長４６０ｎｍを有する光子を含んでいる。また、エネルギー保存則が成立しているため、超広帯域量子もつれ光子対Ｐのエネルギーは、レーザ１１１が出力するレーザ光の光子のエネルギーに等しい。 Further, the light source 11 includes a laser 111 and a chirped quasi-phase matching nonlinear optical crystal (CQPM-NC) 112, as shown in FIG. Laser 111 outputs laser light. The wavelength of this laser light is, for example, 355 nm (nanometers). The chirped quasi-phase matching nonlinear optical crystal 112 is an example of a nonlinear optical crystal that generates and outputs a quantum entangled photon pair from a laser beam by a nonlinear optical process. For example, the chirped quasi-phase matching nonlinear optical crystal 112 generates and outputs an ultra-broadband quantum entangled photon pair P from the laser beam output by the laser 111 by parametric down conversion (PDC). The ultra-broadband quantum entangled photon pair P includes, for example, a photon with a wavelength of 1550 nm included in the short wavelength infrared region and a photon with a wavelength of 460 nm included in the visible light region. Furthermore, since the energy conservation law holds, the energy of the ultra-broadband quantum entangled photon pair P is equal to the energy of the photon of the laser beam output by the laser 111.

ダイクロイックミラー１２は、特定の波長を有する光を反射させ、それ以外の波長を有する光を透過させる鏡である。例えば、ダイクロイックミラー１２は、７５０ｎｍ以上の波長を有する光を反射させ、７５０ｎｍ未満の波長を有する光を透過させる鏡である。この場合、ダイクロイックミラー１２は、超広帯域量子もつれ光子対Ｐのうち波長１５５０ｎｍを有する光子を反射させ、波長４６０ｎｍを有する光子を透過させる。なお、ダイクロイックミラー１２の光学的な特性は、光源１１が出力する光子のエネルギーに応じて決定される。 The dichroic mirror 12 is a mirror that reflects light having a specific wavelength and transmits light having other wavelengths. For example, the dichroic mirror 12 is a mirror that reflects light with a wavelength of 750 nm or more and transmits light with a wavelength of less than 750 nm. In this case, the dichroic mirror 12 reflects a photon having a wavelength of 1550 nm out of the ultra-broadband quantum entangled photon pair P, and transmits a photon having a wavelength of 460 nm. Note that the optical characteristics of the dichroic mirror 12 are determined according to the energy of photons output by the light source 11.

デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、多数の可動式のマイクロミラーをＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor）プロセスにより作成された集積回路上に格子状に配列したＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。各マイクロミラーは、分光画像生成装置１ａにより生成される分光画像の各画素に相当する。ここで言う分光画像は、可視光領域におけるカラー画像及び赤外画像を含む。 The digital micromirror device 13a is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device in which a large number of movable micromirrors are arranged in a grid on an integrated circuit created by a CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) process. Each micromirror corresponds to each pixel of a spectral image generated by the spectral image generation device 1a. The spectral image referred to here includes a color image and an infrared image in the visible light region.

各マイクロミラーは、例えば、一辺が数十μｍ（マイクロメートル）の正方形の鏡面を有しており、各鏡面の裏側に設けられている電極を駆動することにより、当該鏡面をねじれ軸周りに＋１２度又は－１２度傾けることができる。各マイクロミラーは、鏡面が＋１２度傾いている場合、オン状態であり、鏡面が－１２度傾いている場合、オフ状態である。 Each micromirror has, for example, a square mirror surface with a side of several tens of micrometers (micrometers), and by driving an electrode provided on the back side of each mirror surface, the mirror surface is twisted by +12 Can be tilted by -12 degrees or -12 degrees. Each micromirror is in the on state when the mirror surface is tilted by +12 degrees, and is in the off state when the mirror surface is tilted by −12 degrees.

デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、光源１１により出力された光子をオン状態のマイクロミラーで反射して撮像対象Ｔを透過させる。この光子は、例えば、波長が１５５０ｎｍであり、ダイクロイックミラー１２により反射された光子である。デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、各マイクロミラーのオン状態とオフ状態とを順次切り替えることにより、複数の光子を順次撮像対象Ｔに向けて反射させる。具体的には、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、撮像対象Ｔの分光画像を生成するために必要な時間の間、各マイクロミラーのオン状態とオフ状態とを切り替えながら、光子を一つずつ反射させる。また、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａは、各タイミングにおける各マイクロミラーの状態を示すマイクロミラー状態データを分光画像生成部１６に送信する。 The digital micromirror device 13a reflects photons output by the light source 11 with a micromirror in an on state, and transmits the photons through the imaging target T. This photon has a wavelength of 1550 nm, for example, and is a photon reflected by the dichroic mirror 12. The digital micromirror device 13a sequentially reflects a plurality of photons toward the imaging target T by sequentially switching each micromirror between an on state and an off state. Specifically, the digital micromirror device 13a reflects photons one by one while switching each micromirror between an on state and an off state for the time required to generate a spectral image of the imaging target T. . Further, the digital micromirror device 13a transmits micromirror state data indicating the state of each micromirror at each timing to the spectral image generation unit 16.

光子検出器１４ａは、撮像対象Ｔを透過した光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する超伝導転移端センサ（ＴＥＳ：Transition Edge Sensor）である。この超伝導転移端センサは、常伝導状態から超伝導状態に相転移する転移領域に温度が保たれている超伝導物質を有している。また、超伝導転移端センサは、光子を吸収して抵抗値が増加する際に超伝導物質に流れている電流の変化を超伝導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ：Superconducting Quantum Interference Device）で検出することにより、光子の入射及び当該光子のエネルギーを検出する。また、光子検出器１４ａは、各タイミングで光子を検出したことを示す第一検出データ及び各光子のエネルギーを示すエネルギーデータを分光画像生成部１６に送信する。 The photon detector 14a is a superconducting transition edge sensor (TES) that performs a process of detecting photons that have passed through the imaging target T and a process of measuring the energy of the photons. This superconducting transition edge sensor includes a superconducting material whose temperature is maintained in a transition region where the phase transitions from a normal conducting state to a superconducting state. In addition, the superconducting transition edge sensor uses a superconducting quantum interference device (SQUID) to detect changes in the current flowing through a superconducting material when it absorbs photons and increases its resistance. , detect the incidence of a photon and the energy of the photon. Further, the photon detector 14a transmits first detection data indicating that photons have been detected at each timing and energy data indicating the energy of each photon to the spectral image generation unit 16.

光子検出器１５は、ダイクロイックミラー１２を透過した光子及び当該光子のエネルギーを計測する超伝導転移端センサである。或いは、光子検出器１５は、ダイクロイックミラー１２を透過した光子を検出するアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ：Avalanche Photodiode）又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器（ＳＮＳＰＤ：Superconducting Nanowire Single Photon Detector）である。光子検出器１５は、光子検出器１４ａと同様の手段により入射した光子を検出し、当該光子のエネルギーを計測する。また、光子検出器１５は、各タイミングで光子を検出したことを示す第二検出データ及び各光子のエネルギーを示すエネルギーデータを分光画像生成部１６に送信する。 The photon detector 15 is a superconducting transition edge sensor that measures photons transmitted through the dichroic mirror 12 and the energy of the photons. Alternatively, the photon detector 15 is an avalanche photodiode (APD) or a superconducting nanowire single photon detector (SNSPD) that detects photons transmitted through the dichroic mirror 12. The photon detector 15 detects incident photons using the same means as the photon detector 14a, and measures the energy of the photons. Further, the photon detector 15 transmits second detection data indicating that photons have been detected at each timing and energy data indicating the energy of each photon to the spectral image generation unit 16.

分光画像生成部１６は、光子検出器１４ａが実行した処理の結果を使用して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。具体的には、分光画像生成部１６は、上述したマイクロミラー状態データ、第一検出データ、光子検出器１４ａから受信したエネルギーデータ及び光子検出器１５から受信したエネルギーデータを使用して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。また、分光画像生成部１６は、分光画像を生成する過程で圧縮センシングを利用することにより、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａがマイクロミラーのオン状態とオフ状態とを切り替える回数が少ない場合でも適切な分光画像を生成し得る。 The spectral image generation unit 16 generates a spectral image of the imaging target T using the results of the processing performed by the photon detector 14a. Specifically, the spectral image generation unit 16 uses the above-mentioned micromirror state data, first detection data, energy data received from the photon detector 14a, and energy data received from the photon detector 15 to generate the imaged target T. Generates a spectral image. Furthermore, by using compressed sensing in the process of generating a spectral image, the spectral image generation unit 16 can generate an appropriate spectral image even when the digital micromirror device 13a switches the micromirror between the on state and the off state in a small number of times. can be generated.

分光画像生成部１６は、これら三種類のデータに加えて、上述した第二検出データを使用し、光源１１により出力された超広帯域量子もつれ光子対Ｐ以外の光子に起因するノイズを低減させた分光画像を生成してもよい。すなわち、分光画像生成部１６は、光子検出器１４ａ及び光子検出器１５が同時に光子を検出することにより、超広帯域量子もつれ光子対Ｐではない光子によるノイズを低減させた分光画像を生成してもよい。この場合、光子検出器１５は、少なくとも入射した光子を検出することができればよい。なお、超広帯域量子もつれ光子対Ｐではない光子は、迷光と呼ばれることがある。 In addition to these three types of data, the spectral image generation unit 16 uses the second detection data described above to reduce noise caused by photons other than the ultra-broadband quantum entangled photon pair P output by the light source 11. Spectroscopic images may also be generated. That is, the spectral image generation unit 16 generates a spectral image in which noise caused by photons other than the ultra-broadband quantum entangled photon pair P is reduced by simultaneously detecting photons with the photon detector 14a and the photon detector 15. good. In this case, the photon detector 15 only needs to be able to detect at least incident photons. Note that photons that are not part of the ultra-broadband quantum entangled photon pair P are sometimes called stray light.

また、分光画像生成部１６が有する機能のうちの一部又は全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の回路部（circuitry）を含むハードウェアにより実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働により実現されてもよい。プログラムは、事前にＨＤＤ（Hard Disk Drive）、フラッシュメモリ等の非一過性の記憶媒体を備える記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤ、ＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な非一過性の記憶媒体に格納されており、当該記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。 Further, some or all of the functions possessed by the spectral image generation unit 16 may be implemented using LSI (Large Scale Integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programmable Gate Array), GPU (Graphics Processing Unit), etc. It may be realized by hardware including a circuit section (circuitry), or it may be realized by cooperation of software and hardware. The program may be stored in advance in a storage device equipped with a non-transitory storage medium such as an HDD (Hard Disk Drive) or a flash memory, or may be stored in a removable non-transitory storage device such as a DVD or CD-ROM. The software may be stored in a storage medium, and may be installed by attaching the storage medium to a drive device.

以上、実施形態に係る分光画像生成装置１ａについて説明した。分光画像生成装置１ａは、超広帯域量子もつれ光子対Ｐに含まれる光子を反射して撮像対象Ｔを透過させ、当該光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行し、これら二つの処理の結果を使用して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。これにより、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔに照射する光の強度を極限まで低減しつつ、撮像対象Ｔの分光画像を生成することができる。また、分光画像生成装置１ａは、古典光をフィルタで減衰させて光子を出力せず、レーザ１１１及びチャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２を使用して超広帯域量子もつれ光子対Ｐを出力する。これにより、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔに照射する光の強度をフィルタにより十分に低減させることができず、撮像対象Ｔに光の照射による影響を与えてしまう事態を回避することができる。 The spectral image generation device 1a according to the embodiment has been described above. The spectral image generation device 1a reflects the photons included in the ultra-broadband quantum entangled photon pair P and transmits them through the imaging target T, and executes processing for detecting the photons and processing for measuring the energy of the photons. A spectral image of the imaging target T is generated using the results of the two processes. Thereby, the spectral image generation device 1a can generate a spectral image of the imaging target T while reducing the intensity of the light irradiated onto the imaging target T to the utmost limit. Further, the spectral image generation device 1a attenuates classical light with a filter and does not output photons, but outputs an ultra-broadband quantum entangled photon pair P using a laser 111 and a chirped quasi-phase matching nonlinear optical crystal 112. As a result, the spectral image generation device 1a is unable to sufficiently reduce the intensity of the light irradiated onto the imaging target T using the filter, making it impossible to avoid a situation where the imaging target T is affected by the light irradiation. can.

なお、上述した実施形態では、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａが光源１１により出力された光子を反射して撮像対象Ｔを透過させ、光子検出器１４ａが当該光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する場合を例に挙げたが、これに限定されない。すなわち、図１に示した分光画像生成装置１ａだけではなく、図２に示した分光画像生成装置１ｂでも上述した効果を奏することができる。 In the embodiment described above, the digital micromirror device 13a reflects the photons output by the light source 11 and transmits them through the imaging target T, and the photon detector 14a detects the photons and measures the energy of the photons. Although the case where the process is executed is given as an example, the present invention is not limited to this. That is, not only the spectral image generation device 1a shown in FIG. 1 but also the spectral image generation device 1b shown in FIG. 2 can achieve the above-described effects.

図２は、本発明の実施形態に係る分光画像生成装置の一例を示す図である。図２に示した分光画像生成装置１ｂは、撮像対象Ｔを透過した光子のエネルギーを計測して撮像対象Ｔの分光画像を生成する分光画像生成装置１ａと異なり、撮像対象Ｔにより反射された光子のエネルギーを計測して撮像対象Ｔの分光画像を生成する。図２に示すように、分光画像生成装置１ｂは、光源１１と、ダイクロイックミラー１２と、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂと、光子検出器１４ｂと、光子検出器１５と、分光画像生成部１６とを備える。 FIG. 2 is a diagram showing an example of a spectral image generation device according to an embodiment of the present invention. The spectral image generation device 1b shown in FIG. 2 differs from the spectral image generation device 1a which measures the energy of photons transmitted through the imaging target T to generate a spectral image of the imaging target T. A spectral image of the imaging target T is generated by measuring the energy. As shown in FIG. 2, the spectral image generation device 1b includes a light source 11, a dichroic mirror 12, a digital micromirror device 13b, a photon detector 14b, a photon detector 15, and a spectral image generation section 16. .

デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂは、ダイクロイックミラー１２により反射された後に撮像対象Ｔにより反射された光子を反射する。光子検出器１４ｂは、撮像対象Ｔにより反射された当該光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する。また、分光画像生成装置１ｂの他の構成要素は、分光画像生成装置１ａと同様である。 The digital micromirror device 13b reflects photons that were reflected by the dichroic mirror 12 and then reflected by the imaging target T. The photon detector 14b performs a process of detecting the photon reflected by the imaging target T and a process of measuring the energy of the photon. Further, other components of the spectral image generation device 1b are the same as those of the spectral image generation device 1a.

また、図１を参照しながら説明した実施形態及び図２を参照しながら説明した実施形態では、光源１１がレーザ１１１及びチャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２を備える場合を例に挙げたが、これに限定されない。 Further, in the embodiment described with reference to FIG. 1 and the embodiment described with reference to FIG. but not limited to.

例えば、光源１１は、光を出力するスーパーコンティニウム（ＳＣ：Super Continuum）光源又はスーパールミネッセンスダイオード（ＳＬＤ：Superluminescent Diode）と、当該光を減衰させて上述した微弱光を出力するフィルタとを備えていてもよい。 For example, the light source 11 includes a supercontinuum (SC) light source or a superluminescent diode (SLD) that outputs light, and a filter that attenuates the light and outputs the above-mentioned weak light. It's okay.

この場合、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂは、光子の検出及び当該光子のエネルギーの検出が可能な超伝導転移端センサでなければならない。分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、光源１１、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂがこのような構成であっても、光の照射により撮像対象Ｔが受ける影響を低減しつつ、撮像対象Ｔの鮮明な分光画像を生成することができる。また、この場合、分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、光子検出器１４ａにより検出される光子と光子検出器１５により検出される光子との間に検出時刻や波長の相関が無いため、光子検出器１５を省略してよい。 In this case, the photon detector 14a and the photon detector 14b must be superconducting transition edge sensors capable of detecting photons and detecting the energy of the photons. Even if the light source 11, the photon detector 14a, and the photon detector 14b have such a configuration, the spectral image generation device 1a and the spectral image generation device 1b reduce the influence on the imaging target T due to light irradiation, and A clear spectral image of the imaging target T can be generated. In addition, in this case, the spectral image generation device 1a and the spectral image generation device 1b have no correlation in detection time or wavelength between the photons detected by the photon detector 14a and the photons detected by the photon detector 15. , the photon detector 15 may be omitted.

なお、スーパーコンティニウム光源は、赤外領域から可視光領域までスーパールミネッセンスダイオードよりも広帯域な光を出力することができるため、広帯域の分光画像、例えば、赤外領域から可視光領域の分光画像が必要な場合には、スーパールミネッセンスダイオードよりも好ましい。 Note that supercontinuum light sources can output light in a broader range from the infrared region to the visible light region than superluminescence diodes, so they can produce broadband spectral images, such as spectral images from the infrared region to the visible light region. Preferred over superluminescent diodes if required.

また、上述した光源１１は、エネルギーが既知であり互いに異なる光子を含む微弱光を出力してもよい。具体的には、光源１１は、第一の発光ダイオードと、第二の発光ダイオードと、第一のフィルタと、第二のフィルタとを少なくとも備えていてもよい。ここで、第一の発光ダイオードは、第一のエネルギーを有する第一の光を出力する。第一の光は、例えば、赤色の光である。第二の発光ダイオードは、第一のエネルギーと異なる第二のエネルギーを有する第二の光を出力する。第二の光は、緑色の光である。第一のフィルタは、第一の光を減衰させるフィルタである。第二のフィルタは、第二の光を減衰させるフィルタである。 Further, the light source 11 described above may output weak light having known energy and containing mutually different photons. Specifically, the light source 11 may include at least a first light emitting diode, a second light emitting diode, a first filter, and a second filter. Here, the first light emitting diode outputs a first light having a first energy. The first light is, for example, red light. The second light emitting diode outputs a second light having a second energy different from the first energy. The second light is a green light. The first filter is a filter that attenuates the first light. The second filter is a filter that attenuates the second light.

さらに、この場合、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂは、光子の検出が可能であればよい。したがって、この場合、光子検出器１４ａは、超伝導転移端センサであってもよいし、アバランシェフォトダイオード又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器であってもよい。アバランシェフォトダイオード及び超伝導ナノワイヤ単一光子検出器は、光子のエネルギーを検出することはできないが、光子の検出が可能な光子検出器である。また、光子検出器１４ａがアバランシェフォトダイオード又は超伝導ナノワイヤ単一光子検出器である場合、光源１１は、自身が出力した光の波長を示す波長データを分光画像生成部１６に送信する必要がある。 Furthermore, in this case, the photon detector 14a and the photon detector 14b only need to be capable of detecting photons. Therefore, in this case, the photon detector 14a may be a superconducting transition edge sensor, an avalanche photodiode, or a superconducting nanowire single photon detector. Avalanche photodiodes and superconducting nanowire single photon detectors are photon detectors that can detect photons, but cannot detect the energy of photons. Further, when the photon detector 14a is an avalanche photodiode or a superconducting nanowire single photon detector, the light source 11 needs to transmit wavelength data indicating the wavelength of light outputted by itself to the spectral image generation unit 16. .

分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、エネルギーが既知であり互いに異なる光子を含む微弱光が光源１１により出力され、光子検出器１４ａ及び光子検出器１４ｂが光子の検出のみを実行する場合でも、光の照射により撮像対象Ｔが受ける影響を低減しつつ、撮像対象Ｔの鮮明な分光画像を生成することができる。 The spectral image generation device 1a and the spectral image generation device 1b are used when the light source 11 outputs weak light containing photons of known energy and different from each other, and the photon detector 14a and the photon detector 14b only detect photons. However, it is possible to generate a clear spectral image of the imaging target T while reducing the influence that the imaging target T receives due to light irradiation.

また、光源１１は、第一の発光ダイオード、第二の発光ダイオード、第一のフィルタ及び第二のフィルタに加えて、少なくとも第三の発光ダイオード及び第三のフィルタを備えていてもよい。第三の発光ダイオードは、第一のエネルギー及び第二のエネルギーと異なる第三のエネルギーを有する第三の光を出力する。第三の光は、例えば、青色の光である。第三のフィルタは、第三の光を減衰させるフィルタである。 Further, the light source 11 may include at least a third light emitting diode and a third filter in addition to the first light emitting diode, the second light emitting diode, the first filter, and the second filter. The third light emitting diode outputs a third light having a third energy different from the first energy and the second energy. The third light is, for example, blue light. The third filter is a filter that attenuates the third light.

また、上述した実施形態では、分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂが光子検出器１５を備える場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ａ及び分光画像生成装置１ｂは、光源１１がレーザ１１１及びチャープ擬似位相整合非線形光学結晶１１２を備える場合であっても光子検出器１５を備えていなくてもよい。 Furthermore, in the embodiment described above, the case where the spectral image generation device 1a and the spectral image generation device 1b are provided with the photon detector 15 was exemplified, but the present invention is not limited to this. The spectral image generation device 1a and the spectral image generation device 1b do not need to include the photon detector 15 even when the light source 11 includes the laser 111 and the chirped quasi-phase matching nonlinear optical crystal 112.

また、分光画像生成装置１ａは、光源１１から光子検出器１４ａまでの光路及び光源１１から光子検出器１５までの光路の少なくとも一方の任意の場所に適宜配置されたレンズ、ミラー等の光学部品を備えていてもよい。同様に、分光画像生成装置１ｂは、光源１１から光子検出器１４ｂまでの光路及び光源１１から光子検出器１５までの光路の少なくとも一方の任意の場所に適宜配置されたレンズ、ミラー等の光学部品を備えていてもよい。これらの光学部品は、撮像対象Ｔの分光画像の生成に使用される。 In addition, the spectral image generation device 1a includes optical components such as lenses and mirrors that are appropriately placed at any location on at least one of the optical path from the light source 11 to the photon detector 14a and the optical path from the light source 11 to the photon detector 15. You may be prepared. Similarly, the spectral image generation device 1b includes optical components such as lenses and mirrors that are appropriately placed at any location on at least one of the optical path from the light source 11 to the photon detector 14b and the optical path from the light source 11 to the photon detector 15. may be provided. These optical components are used to generate a spectral image of the imaging target T.

また、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔを透過した光子を検出する光子検出器１４ａに撮像対象Ｔから放出される蛍光に含まれる光子に対する感度を持たせてもよい。これにより、分光画像生成装置１ａは、撮像対象Ｔにより吸収された光子により撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子のエネルギーを超伝導転移端センサである光子検出器１４ａにより検出し、分光画像に反映させることができる。この場合、分光画像生成装置１ａは、光子検出器１５として超伝導転移端センサを採用することにより、光子検出器１４ａにより検出された光子が撮像対象Ｔを透過した光子や撮像対象Ｔにより反射された光子であるか撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子であるかを判別することができる。 Further, in the spectral image generation device 1a, the photon detector 14a that detects photons transmitted through the imaging target T may be made sensitive to photons included in fluorescence emitted from the imaging target T. As a result, the spectral image generation device 1a detects the energy of photons contained in the fluorescence emitted from the imaging target T by the photons absorbed by the imaging target T using the photon detector 14a, which is a superconducting transition edge sensor, and spectroscopy It can be reflected in the image. In this case, the spectral image generation device 1a employs a superconducting transition edge sensor as the photon detector 15, so that photons detected by the photon detector 14a are reflected by photons transmitted through the imaging target T or reflected by the imaging target T. It is possible to determine whether the photon is a photon contained in the fluorescence emitted from the imaging target T or a photon contained in fluorescence emitted from the imaging target T.

同様に、分光画像生成装置１ｂは、撮像対象Ｔにより反射された光子を検出する光子検出器１４ｂに撮像対象Ｔから放出される蛍光に含まれる光子に対する感度を持たせてもよい。これにより、分光画像生成装置１ｂは、撮像対象Ｔにより吸収された光子により撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子のエネルギーを超伝導転移端センサである光子検出器１４ｂにより検出し、分光画像に反映させることができる。この場合、分光画像生成装置１ｂは、光子検出器１５として超伝導転移端センサを採用することにより、光子検出器１４ａにより検出された光子が撮像対象Ｔを透過した光子や撮像対象Ｔにより反射された光子であるか撮像対象Ｔから放出された蛍光に含まれる光子であるかを判別することができる。 Similarly, in the spectral image generation device 1b, the photon detector 14b that detects photons reflected by the imaging target T may be made sensitive to photons included in fluorescence emitted from the imaging target T. Thereby, the spectral image generation device 1b detects the energy of photons contained in the fluorescence emitted from the imaging target T by the photons absorbed by the imaging target T using the photon detector 14b, which is a superconducting transition edge sensor, and spectroscopy It can be reflected in the image. In this case, the spectral image generation device 1b employs a superconducting transition edge sensor as the photon detector 15, so that photons detected by the photon detector 14a are reflected by photons transmitted through the imaging target T or reflected by the imaging target T. It is possible to determine whether the photon is a photon contained in the fluorescence emitted from the imaging target T or a photon contained in fluorescence emitted from the imaging target T.

また、図１を使用した説明では、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａが光源１１により出力された光子を反射して撮像対象Ｔを透過させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ａは、図１に示したデジタルマイクロミラーデバイス１３ａと撮像対象Ｔとの順序を入れ替え、デジタルマイクロミラーデバイス１３ａが撮像対象Ｔを透過した光子を反射して光子検出器１４ａに入射させるようにしてもよい。 Furthermore, in the explanation using FIG. 1, an example is given in which the digital micromirror device 13a reflects the photons output by the light source 11 and transmits them through the imaging target T, but the present invention is not limited to this. In the spectral image generation device 1a, the order of the digital micromirror device 13a and the imaging target T shown in FIG. You may also do so.

また、図２を使用した説明では、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂが撮像対象Ｔ
により反射された光子を反射させる場合を例に挙げたが、これに限定されない。分光画像生成装置１ｂは、図２に示したデジタルマイクロミラーデバイス１３ｂと撮像対象Ｔとの順序を入れ替え、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂが光源１１により出力された光子を撮像対象Ｔに向けて反射するようにしてもよい。また、この場合、撮像対象Ｔにより反射された光子が光子検出器１４ｂに入射するよう、デジタルマイクロミラーデバイス１３ｂの配置及び撮像対象Ｔの配置が調整される。 In addition, in the explanation using FIG. 2, the digital micromirror device 13b is the imaging target T.
Although the case where a photon reflected by is reflected is given as an example, the present invention is not limited to this. The spectral image generation device 1b switches the order of the digital micromirror device 13b and the imaging target T shown in FIG. You can also do this. Furthermore, in this case, the arrangement of the digital micromirror device 13b and the arrangement of the imaging target T are adjusted so that photons reflected by the imaging target T enter the photon detector 14b.

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形、置換及び設計変更の少なくとも一つを加えることができる。また、上述した各実施形態に記載の構成を組み合わせてもよい。 The embodiments of the present invention have been described above in detail with reference to the drawings, but the specific configuration is not limited to these embodiments, and various modifications, substitutions, and designs can be made without departing from the gist of the present invention. At least one of the changes can be made. Further, the configurations described in each of the embodiments described above may be combined.

１ａ，１ｂ…分光画像生成装置、１１…光源、１２…ダイクロイックミラー、１３ａ，１３ｂ…デジタルマイクロミラーデバイス、１４ａ，１４ｂ、１５…光子検出器、１６…分光画像生成部 1a, 1b...Spectral image generation device, 11...Light source, 12...Dichroic mirror, 13a, 13b...Digital micromirror device, 14a, 14b, 15...Photon detector, 16...Spectral image generation unit

Claims (3)

レーザ光を出力するレーザと、非線形光学過程により前記レーザ光から量子もつれ光子対を生成して出力する非線形光学結晶とを含み、エネルギーが異なる光子対を出力する光源と、
前記光源により出力された光子のうち、第１波長を有する光子を反射させて撮像対象を含む第１光路に導光し、前記第１波長と異なる第２波長を有する光子を通過させて前記撮像対象を含まない第２光路に導光する鏡と、
前記第１光路上に備えられ、前記第１光路に導光された光子を反射して撮像対象を透過させ、前記撮像対象を透過した光子を反射し、前記撮像対象により反射された光子を反射し、又は前記第１光路に導光された光子を前記撮像対象に向けて反射するデジタルマイクロミラーデバイスと、
前記第１光路上に備えられる超伝導転移端センサであって、前記撮像対象を透過した又は前記撮像対象に反射された光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する第１光子検出器と、
前記第２光路上に備えられる超伝導転移端センサであって、前記第２光路に導光される光子を検出する処理及び当該光子のエネルギーを計測する処理を実行する第２光子検出器と、
前記第１光子検出器及び前記第２光子検出器が実行した処理の結果を使用して、量子もつれ光子対ではない光子によるノイズを低減させた、前記撮像対象の分光画像を生成する分光画像生成部と、
を備える分光画像生成装置。 A light source that outputs photon pairs with different energies, including a laser that outputs laser light, and a nonlinear optical crystal that generates and outputs quantum entangled photon pairs from the laser light through a nonlinear optical process;
Of the photons output by the light source, photons having a first wavelength are reflected and guided to a first optical path that includes the imaging target, and photons having a second wavelength different from the first wavelength are passed through for the imaging. a mirror that guides light to a second optical path that does not include the target;
provided on the first optical path, reflects photons guided to the first optical path and transmits them through the imaging target, reflects photons that have passed through the imaging target, and reflects photons reflected by the imaging target or a digital micromirror device that reflects the photons guided to the first optical path toward the imaging target;
A superconducting transition edge sensor provided on the first optical path, the first superconducting transition edge sensor configured to perform a process of detecting photons that have passed through the imaging target or being reflected by the imaging target, and a process of measuring the energy of the photons. a photon detector;
a superconducting transition edge sensor provided on the second optical path, and a second photon detector that performs a process of detecting photons guided to the second optical path and a process of measuring the energy of the photons;
Spectroscopic image generation that uses the results of processing performed by the first photon detector and the second photon detector to generate a spectroscopic image of the imaging target in which noise due to photons that are not quantum entangled photon pairs is reduced. Department and
A spectral image generation device comprising: 前記光源は、前記レーザに代えて、光を出力するスーパーコンティニウム光源又はスーパールミネッセンスダイオードを備え、前記非線形光学結晶に代えて、前記光を減衰させて微弱光を出力するフィルタを備える、
請求項１に記載の分光画像生成装置。 The light source includes a supercontinuum light source or a superluminescence diode that outputs light instead of the laser , and a filter that attenuates the light and outputs weak light instead of the nonlinear optical crystal .
The spectral image generation device according to claim 1. 前記光源は、前記レーザに代えて、第一のエネルギーを有する第一の光を出力する第一の発光ダイオードと、前記第一のエネルギーと異なる第二のエネルギーを有する第二の光を出力する第二の発光ダイオードを備え、前記非線形光学結晶に代えて、前記第一の光を減衰させる第一のフィルタと、前記第二の光を減衰させる第二のフィルタとを備える、請求項１に記載の分光画像生成装置。 The light source includes, instead of the laser, a first light emitting diode that outputs a first light having a first energy, and a second light that outputs a second light having a second energy different from the first energy. 2. The light emitting diode according to claim 1, further comprising a second light emitting diode, and comprising a first filter that attenuates the first light and a second filter that attenuates the second light in place of the nonlinear optical crystal . The spectroscopic image generation device described.
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