毎秒数兆フレーム処理により光学イメージングの限界を押し広げる

April, 11, 2024, Quebec--INRS のJinyang Liang教授のチームは、新しい超高速カメラシステムでイメージング速度を向上させた。

より速いスピードを追求することは、アスリートだけのことではない。研究者もまた、発見によってそのような偉業を成し遂げることができる。これは、Institut national de la recherche scientifique(INRS)のJinyang Liang教授と同氏のチームの場合であり、その研究成果は最近Nature Communicationsに掲載された。

INRSのÉnergie Matériaux Télécommunications Research Centreを拠点とするグループは、毎秒最大156兆3000億フレームを驚異的な精度で撮影できる新しい超高速カメラシステムを開発した。超高速減磁2D光学イメージングをワンショットで実現したのである。SCARF(掃引符号化開口リアルタイムフェムトフォトグラフィ)と呼ばれるこの新しいデバイスは、半導体の過渡吸収と金属合金の超高速減磁を捉えることができる。この新手法は、現代物理学、生物学、化学、材料科学、工学など幅広い分野の知のフロンティアを前進させるものである。

過去の進歩の改善
Liang教授は、超高速イメージングのパイオニアとして世界的に知られている。すでに2018年には、この分野における大きなブレークスルーの主任開発者であり、SCARFの開発の基礎を築いている。

これまでの超高速カメラシステムは、フレームを1枚ずつ順番に撮影する方式が主流だった。短時間の繰り返し測定でデータを取得し、すべてをまとめて、観察された動きを再現した動画を作成した。

「しかし、このアプローチは、不活性なサンプルや、毎回まったく同じ方法で起こる現象にしか適用できない。再現性のない現象や超高速の現象は言うまでもなく、壊れやすいサンプルは、この方法では観察できない(Jinyang Liang教授)。

「例えば、フェムト秒レーザアブレーション、生細胞との衝撃波相互作用、光学的カオスなどの現象は、この方法では研究できない」(Jinyang Liang)。

同教授が開発した最初のツールは、このギャップを埋めるのに役立った。T-CUP(Trillion-frame-per-second compressed ultrafast photography)システムは、10兆(10^13)フレーム/秒。これは、超高速の単発リアルタイムイメージングに向けた大きな第一歩だった。

しかし、課題はまだ残っていた。

「圧縮された超高速写真に基づく多くのシステムは、データ品質の低下に対処しなければならず、視野のシーケンス深度をトレードする必要がある。これらの制限は、シーンとコード化された開口部を同時に剪断する必要がある動作原理に起因している（Miguel Marquez、ポスドク研究員、研究の共同筆頭著者）。

SCARFはこれらの課題を克服する。そのイメージング様式は、超高速現象を剪断することなく、静的にコード化された開口部の超高速スイープを可能にする。これにより、CCD搭載カメラの個々のピクセルに対して、最大156.3THzのフルシーケンスエンコーディングレートが提供される。これらの結果は、反射モードと透過モードの両方で、チューナブルフレームレートと空間スケールで、1回のショットで取得できる。

幅広いアプリケーション
SCARFは、生きた細胞や物質の衝撃波力学など、超高速で再現不可能な、再現が困難な特異な現象を観察することを可能にする。これらの進歩は、より良い薬学や医療の開発に利用できる可能性がある。

さらに、SCARFは非常に魅力的な経済的スピンオフを約束する。Axis PhotoniqueとFew-Cycleの2社は、すでにLiang教授のチームと協力して、特許出願中の発見の市場性のあるバージョンを作成している。これは、ケベック州にとって、フォトニクスのリーダーとしてすでにうらやましい地位を強化する絶好の機会である。

（詳細は、https://inrs.ca）