1年ほど前、CaltechのLihong Wangは、1秒間に10兆枚の撮影が可能な世界最速のカメラを開発しました。その速度は非常に速く、スローモーションで進む光さえ捉えることができます。
しかし、速いだけでは十分ではないこともあります。実際、どれほど速いカメラでも、見えないものは撮影できません。そこでWang氏は、医学工学・電気工学のBren教授を務める同氏が、毎秒最大1兆枚で撮影できる新しいカメラを開発しました。撮影対象は透明な物体です。このカメラに関する論文は1月17日号の学術誌『Science Advances』に掲載されています。
Wang氏が位相感応圧縮超高速撮影（pCUP）と呼ぶこのカメラ技術は、透明な物体だけでなく、衝撃波や、場合によってはニューロンを伝わる信号といった、より捉えにくい現象の映像も撮影できます。
Wang氏によれば、新しい撮像システムは、以前に開発した高速撮影システムと、細胞（大部分が水でできている）のような、ほとんど透明な物体をより鮮明に撮像するために設計された古い技術である位相差顕微鏡を組み合わせたものです。
位相差顕微鏡は、約100年前にオランダの物理学者フリッツ・ゼルニケによって発明されたもので、光波が異なる物質に入る際に速度が遅くなったり速くなったりする性質を利用します。例えば、光線がガラスを通過すると、ガラスに入るときに速度が落ち、出るときに再び速くなります。こうした速度の変化は波の位相のタイミングを変えます。いくつかの光学的な工夫を用いることで、ガラスを通過した光とそうでない光を区別することが可能になり、透明なガラスも格段に見えやすくなります。
「私たちがしたことは、標準的な位相差顕微鏡を改良して非常に高速な撮像を可能にし、それによって透明な物質中の超高速現象を撮像できるようにしたことです」とWang氏は述べています。
このシステムの高速撮像部分は、Wang氏がロスレス符号化圧縮超高速技術（LLE-CUP）と呼ぶものです。現象を繰り返しながら連続して一連の画像を撮影する、ほとんどの他の超高速映像撮影技術とは異なり、LLE-CUPシステムは一度の撮影で、その撮影に要する時間内に生じるすべての動きを捉えます。複数回撮影するよりも1回の撮影の方がはるかに速いため、LLE-CUPは、光そのものの動きなど、より一般的なカメラ技術では撮像するにはあまりにも速すぎる動きを捉えることができます。
新しい論文では、Wang氏と共同研究者らが、水中を伝わる衝撃波の広がりと、結晶性物質の中を進むレーザーパルスを撮像することで、pCUPの性能を実証しています。
Wang氏によれば、この技術はまだ開発初期段階ではあるものの、最終的には物理学、生物学、化学を含む多くの分野で利用される可能性があるとのことです。
「信号がニューロンを伝わる際、神経線維がごくわずかに拡張するのを見たいと考えています。ニューロンのネットワークがあれば、その通信をリアルタイムで見ることができるかもしれません」とWang氏は述べています。さらに同氏によれば、温度が位相コントラストを変えることが知られているため、このシステムは「燃焼室内で火炎面がどのように広がるかを撮像できるかもしれません」。
pCUPについて説明した論文のタイトルは「Picosecond-resolution phase-sensitive imaging of transparent objects in a single shot」です。共著者には、医学工学の博士研究員Taewoo Kim氏、そして、いずれもCaltechの元研究員であるJinyang Liang氏とLiren Zhu氏が含まれます。
本研究は国立衛生研究所の資金提供を受けました。Lihong Wang氏は、Caltechのティエンチャオ・アンド・クリッシー・チェン神経科学研究所の兼任教員です。
