次世代赤外イメージングのためにピンホールカメラ復活

September, 26, 2025--華東師範大学の研究チームは、何世紀にもわたるピンホールイメージングのアイデアを使用して、レンズを使わない高性能の中赤外線イメージングシステムを作成した。新しいカメラは、広範囲の暗い場所でも非常に鮮明な写真を撮影できるため、従来のカメラでは困難な状況に役立つ。

「熱や分子指紋など、多くの有用な信号は中赤外線にあるが、これらの波長で動作するカメラはノイズが多く、高価で、冷却が必要なことがよくある。さらに、従来のレンズベースのセットアップは被写界深度が限られており、光学的歪みを最小限に抑えるために慎重な設計が必要になる。われわれは、他のシステムよりもはるかに大きな被写界深度と視野を実現する、高感度でレンズ不要のアプローチを開発した」と華東師範大学の研究チームリーダーHeping Zengは説明している。

Optica Publishing Groupの影響力のある研究のためのジャーナルOptica で、研究チームは、光を使用して非線形結晶内に小さな「光学ピンホール」を形成し、赤外線画像を可視画像に変える方法について説明している。このセットアップを使用して、被写界深度35cm以上、視野6cm以上の鮮明な中赤外線画像を取得した。また、このシステムを使用して3D画像を取得することもできた。

「このアプローチは、夜間の安全性、産業品質管理、環境モニタリングを強化できる」と、華東師範大学（East China Normal University）の研究チームメンバーKun Huangは語っている。「また、よりシンプルな光学系と標準的なシリコンセンサを使用しているため、最終的には赤外線イメージングシステムがより手頃な価格、ポータブルで、エネルギー効率の高いものになる可能性がある。遠赤外線やTHz波長など、レンズの製造が困難であったり、性能が低下したりする他のスペクトル帯域にも適用可能である。」

ピンホールイメージングの再考
ピンホールイメージングは、紀元前4世紀に中国の哲学者墨子（Mozi）によって最初に記述された、最も古い画像作成方法の1つである。従来のピンホール カメラは、遮光ボックスの小さな穴に光を通し、外のシーンの反転した画像を内側の反対側の表面に投影することで機能する。レンズベースのイメージングとは異なり、ピンホールイメージングは歪みを回避し、無限の被写界深度を持ち、幅広い波長にわたって機能する。

これらの利点を最新の赤外線イメージングシステムにもたらすために、研究チームは強力なレーザを使用して、非線形結晶の内部に光学穴、つまり人工開口部を形成した。結晶はその特殊な光学特性により、赤外線画像を可視光に変換し、標準的なシリコンカメラで記録できる。

研究チームによると、広範囲の方向からの光線を受け入れることができるチャープ周期構造を持つ特別に設計された結晶の使用が、広い視野を実現するための鍵となる。また、アップコンバージョン検出方式によりノイズが自然に抑制されるため、非常に暗い場所でも動作する。

「レンズレス非線形ピンホールイメージングは、歪みのない大深度、広視野の中赤外イメージングを高感度で実現するための実用的な方法である。超短同期レーザパルスは、非常に少ない光子でも高感度の飛行時間深度イメージングに使用できる超高速光学タイムゲートも内蔵している」（Huang）。

約0.20mmの光学ピンホール半径が鮮明で明確に定義されたディテールを生成することを理解した後、研究チームはこの開口部サイズを使用して、11cm、15cm、19cm離れたターゲットを画像化した。チームは、すべての距離にわたって3.07µｍの中赤外波長で鮮明なイメージングを実現し、広い深度範囲を確認した。また、最大 35 cm 離れた場所に置かれた物体に対しても画像を鮮明に保つことができ、大きな被写界深度を実証した。

レンズなしの3Dイメージング
次に、研究チームは 2 種類の 3D イメージングにセットアップを使用した。3D飛行時間イメージングでは、同期した超高速パルスを光ゲートとして用いてマットセラミックウサギをイメージングし、ミクロンレベルの軸方向精度で3D形状を再構築することができた。入力をパルスあたり約 1.5 光子に減らした場合でも (非常に暗い場所でシミュレート)、この方法は相関ベースのノイズ除去後に 3D 画像を生成した。

また、わずかに異なる物体距離で積み重ねられた「ECNU」ターゲットの写真を2枚撮影し、それらを使用して実際のサイズと深さを計算することにより、2スナップショット深度イメージングも実行した。この方法では、複雑なパルスタイミング技術を使用せずに、約6センチメートルの範囲で物体の深さを測定することができた。

研究チームは、中赤外非線形ピンホールイメージングシステムは依然として概念実証であり、比較的複雑でかさばるレーザセットアップが必要であると指摘している。しかし、新しい非線形材料と統合光源が開発されるにつれて、この技術ははるかにコンパクトになり、展開が容易になるはずである。

研究チームは現在、システムをより速く、より感度が高く、様々なイメージングシナリオに適応できるようにすることに取り組んでいる。チームの計画には、変換効率の向上、多様なシーンに合わせて光学ピンホールを再形成するための動的制御の追加、より広い中赤外線範囲にわたるカメラの動作の拡張が含まれている。

論文: Y. Li, K. Huang, J. Fang, Z. Wei, H. Zeng, “Mid-infrared nonlinear pinhole imaging,” 12, 1478-1485 (2025).
DOI: 10.1364/OPTICA.566042。