ある物体のほぼ正確な複製を作る必要があると想像してみてください。スマートフォンをポケットから取り出し、内蔵の3Dイメージャーで撮影し、そのデータを3Dプリンターに送れば、数分以内に元の物体とミクロン単位で一致する複製ができると想像してみてください。カリフォルニア工科大学（Caltech）で開発された新しい小型高解像度3Dイメージャーにより、このようなことが間もなく可能になるかもしれません。
3Dプリンターで物体を正確に複製するには、まず高さ、幅、奥行きを測定する3Dカメラで、その物体を高解像度でスキャンする必要があります。こうした3Dイメージングは数十年前からありますが、一般に最も高感度なシステムは大きすぎて高価なため、消費者向け用途には適していません。
ナノフォトニック・コヒーレント・イメージャー（NCI）として知られる、新しい安価でコンパクトながら高精度の装置が、この状況を変えると期待されています。1ミリメートル四方より小さい安価なシリコンチップを用いるNCIは、この種のナノフォトニック3Dイメージング装置の中で最高の奥行き測定精度を実現します。
この研究は、 Ali Hajimiri氏の研究室で行われ、工学・応用科学部門の電気工学トーマス・G・マイヤーズ教授である同氏による成果として、2015年2月号の『Optics Express』に掲載されています。
通常のカメラでは、各画素は画像内の特定の点から受け取った光の強度を表します。その点はカメラの近くにあることも遠くにあることもありますが、画素は物体とカメラとの相対距離に関する情報を提供しません。これに対し、CaltechチームのNCIが生成する画像では、各画素が距離と強度の両方の情報を提供します。「チップ上の各画素は独立した干渉計です。これは光波の干渉を利用して精密な測定を行う装置で、強度に加えて信号の位相と周波数も検出します」とHajimiri氏は述べています。
0.5メートルの距離からナノフォトニック・コヒーレント・イメージャーで取得した、米国の1セント硬貨表面の起伏の三次元マップ。
新しいチップは、LIDARと呼ばれる確立された検出・測距技術を利用しています。この技術では、走査するレーザービームで対象物を照射します。物体で反射した光を使用したレーザー光の波長に基づいて分析し、LIDARは物体の大きさやレーザーからの距離に関する情報を収集して、周囲の画像を作成できます。「コヒーレント・イメージャーに小型LIDARをアレイ状に配置することで、イメージャー内部の機械的な動きを必要とせず、物体や風景の異なる部分を同時に画像化できます」とHajimiri氏は述べています。
NCIがこうした高解像度の画像と情報を提供できるのは、コヒーレンスと呼ばれる光学的概念によるものです。2つの光波がコヒーレントである場合、周波数が同じで、光波の山と谷が互いに正確にそろっています。NCIでは、物体をこのコヒーレント光で照射します。物体で反射した光は、グレーティングカプラーと呼ばれるチップ上の検出器で受け取られ、これらが「画素」として機能します。各カプラーが検出する光が3D画像の1画素を表すためです。NCIチップでは、物体上の異なる点から反射した光の位相、周波数、強度を検出し、対象点までの正確な距離の算出に用います。
コヒーレント光は周波数と波長が一定しているため、反射光の違いを測定する際の基準として使われます。このようにNCIは、コヒーレント光を非常に精密な物差しのように用いて、物体の大きさと、物体上の各点からカメラまでの距離を測定します。光はその後、各画素の強度と距離の情報を含む電気信号に変換されます。これらは3D画像の作成に必要なすべての情報です。
コヒーレント光を取り入れることで、シリコンフォトニクスでこれまでに達成された最高水準の奥行き測定精度による3Dイメージングが可能になるだけでなく、装置を非常に小型にすることもできます。「シリコンチップ上の小さな導管で反射光を結合し、閉じ込め、処理することで、各LIDAR素子をわずか数百ミクロンの大きさに縮小できました。そのため、300ミクロン×300ミクロンの有効領域に、これらのコヒーレント検出器を16個並べられます」とHajimiri氏は述べています。
NCIの最初の概念実証機にはコヒーレント画素が16個しかなく、生成できる3D画像は一度に16画素分です。しかし研究者たちは、まず4画素×4画素の範囲を撮像し、次に物体を4画素分ずつ移動させて隣接する範囲を撮像することで、より大きな物体を画像化する方法も開発しました。この方法でチームは装置を使い、米国の1セント硬貨の表面にある「起伏」を、0.5メートル離れた位置からミクロン単位の解像度でスキャンして3D画像を作成しました。
将来、現在16画素のアレイは数十万画素にまで容易に拡大できる可能性もあるとHajimiri氏は述べています。いつの日か、こうした小型LIDARを大規模なアレイにすることで、このイメージャーは、非常に精密な3Dスキャンや印刷から、自動運転車の衝突回避、超高精細なヒューマン・マシン・インターフェースの動作感度向上まで、幅広い用途に応用できるかもしれません。そこでは患者の目のわずかな動きや心拍のごく小さな変化を、リアルタイムで検出できます。
「この新しいチップベースのイメージャーは、小型で高品質であることから大幅なコスト削減につながり、スマートフォンなどの個人用機器に組み込むことで、こうしたシステムの新たな用途を何千も可能にするでしょう」と同氏は述べています。
この記事は Caltechとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Jessica Stoller-ConradはCaltechのために記事を執筆しています。
画像：台北のTWTC南港展示ホールで開催された2014年Computex展示会にて、Auroraの3DプリンターF1でフィギュアが印刷されている。REUTERS/Pichi Chuang
