(57)【要約】【課題】光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」を、高分解能でしかも１００％に近い確率で実現する。【解決手段】２枚の超低損失ミラーによって構成された共焦点ＦＰ（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）共振器１ａを、入射レーザー光に対して共振状態にする。共焦点ＦＰ共振器１ａの帯域幅よりも十分狭い帯域幅のレーザー光を単一光子レベルまで減衰させ、共焦点ＦＰ共振器１ａに入射する。共焦点ＦＰ共振器１ａ内に物体が存在しない場合には、光子は共焦点ＦＰ共振器１ａを透過する。共焦点ＦＰ共振器１ａ内に物体が存在する場合には、光子は高い確率で共焦点ＦＰ共振器１ａの前面ミラーで反射される。共焦点ＦＰ共振器１ａ内に物体があるかないかによって、光子が高い確率で透過するか反射することを利用して、１００％に近い確率で無相互作用測定を実現できる。さらに、共焦点ＦＰ共振器１ａを使うことで、高分解能になる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｑ値が十分に大きい平面鏡型ファブリ・ペロー共振器と、前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を主ビームと副ビームに分割する偏光ビームスプリッターと、減衰器とサーキュレーターとを介して前記主ビームを単一光子レベルにして前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器に照射する手段と、前記副ビームを前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器に照射して得た反射光に基づいて前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器が共振状態を維持するように調整する共振状態調整手段と、前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器を透過した光子を検出する透過光子検出手段と、前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器から反射した光子を前記サーキュレーターを介して検出する反射光子検出手段と、前記平面鏡型ファブリ・ペロー共振器内において撮影対象物体を移動させる走査手段とを具備することを特徴とする無相互作用イメージング装置。
【請求項２】
Ｑ値が十分に大きい共焦点ファブリ・ペロー共振器と平面鏡型調整用ファブリ・ペロー共振器とを同じ波長のレーザー光に共振するように一体にした複合型ファブリ・ペロー共振器と、前記共焦点ファブリ・ペロー共振器の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源と、前記レーザー光を主ビームと副ビームに分割する偏光ビームスプリッターと、減衰器とサーキュレーターとを介して前記主ビームを単一光子レベルにして前記共焦点ファブリ・ペロー共振器に照射する手段と、前記副ビームを前記平面鏡型調整用ファブリ・ペロー共振器に照射して得た反射光に基づいて前記複合型ファブリ・ペロー共振器が共振状態を維持するように調整する共振状態調整手段と、前記共焦点ファブリ・ペロー共振器を透過した光子を検出する透過光子検出手段と、前記共焦点ファブリ・ペロー共振器から反射した光子を前記サーキュレーターを介して検出する反射光子検出手段と、前記共焦点ファブリ・ペロー共振器の焦点に撮影対象物体を移動させる走査手段とを具備することを特徴とする無相互作用イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無相互作用イメージング装置に関し、特に、単一光子を使ってファブリ・ペロー共振器内の物体に光子を吸収させることなしに検知して映像化する無相互作用イメージング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
私たちが物を見るということは、そこに当たった光を目で捕らえることである。したがって、真っ暗闇の中では物を見ることはできない。しかしながら、光を当てずに物を見たい場合もある。特に、感光性物質やある種の細胞では、光を当てるとその状態が変化してしまい、光が当たっていない時の状態を見ることはできないからである。この「光を当てずに物を見る」ことは、通常の如何なる計測技術を駆使しても不可能であるが、１９９３年にＡ．  ＥｌｉｔｚｕｒとＬ．  Ｖａｉｄｍａｎによって考案された「観測対象に光を当てずに、その存在を確認する方法」（ＥＶ法）を利用すれば、実現可能であると考えられる。この測定方法は、「無相互作用測定」と呼ばれ、「光は波であるとともに粒子である」という光の量子力学的な性質を利用した全く新しい光計測技術である。
【０００３】
図５を参照しながら、ＥＶ法を簡単に説明する。詳細は、非特許文献１、２を参照されたい。図５（ａ）に示すように、２つの腕の長さが等しいマッハツェンダー干渉計に、光子を１つ入射する。このマッハツェンダー干渉計は、２つの５０％−５０％ビームスプリッターと、２つの鏡とからなる。ビームスプリッターか鏡で反射されると、光の位相は９０°変わる。光子を１つだけ発生する方法としては、図５（ｃ）に示す方法がある。マッハツェンダー干渉計の光路中に光を吸収する物体が無ければ、光は検出器Ｄ１にのみ到達する。なぜなら、鏡で反射されるごとに位相が９０°変わるので、検出器Ｄ２に到達する各光路の光は逆相になるからである。
【０００４】
しかし、図５（ｂ）に示すように、マッハツェンダー干渉計の光路中に光を吸収する物体が在ると、光は、検出器Ｄ１とＤ２のいずれにも到達しない場合（確率５０％）と、検出器Ｄ１とＤ２のいずれかに２５％ずつの確率で到達する場合がある。検出器Ｄ２に光が到達する場合は、物体に光が当たらずに物体の存在を検出したことになる。しかしながら、ＥＶ法では、２５％の確率で（４回に１回）しか、観測対象に光を当てずにその存在を確認することはできない。この「無相互作用測定」方法は、非特許文献３、４に開示されているように、実験で証明された。
【０００５】
観測対象に光子を一個たりとも当てずに、その存在を知ることができる確率、すなわち、無相互作用測定における効率を１００％に近づけるために、様々な測定装置が提案されてきた。なかでも、マイケルソン干渉計に量子ゼノン効果を応用した測定装置では、約８０％の効率が実現されている。この測定装置では、複雑な光学系を構成する多数の光学素子の吸収と散乱による光子の損失が、無相互作用測定の効率を約８０％に制限している。非特許文献５には、ファブリ・ペロー（Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ）型共振器を用いる無相互作用測定方法が開示されている。
【０００６】
図６は、１つのマッハツェンダー干渉計に光子をＮ回通すことにより、量子ゼノン効果を利用して無相互作用測定を行う方法を説明する原理図である。水平偏光の光子を１つ、左下から入れる。物体がなければ、一回ごとに偏光角は９０°／Ｎだけ回転して、Ｎ回で水平偏光が垂直偏光になり、右の検出器で検出される。垂直偏光の光路に物体があると、水平偏光のみが残り、下の検出器で検出される。図７（ａ）に示す装置は、マイケルソン干渉計を利用した無相互作用測定装置である。非特許文献７に記載された図７（ｂ）に示す装置は、マイケルソン干渉計で量子ゼノン効果を利用した無相互作用測定装置である。ポッケルスセルは、ポッケルス効果を利用したスイッチである。
【０００７】
図８に示すように、２つのキャビティを用いて無相互作用測定を行う方法も提案されている。図８の左側に示すように、ともに共振状態にある２つのキャビティの一方にある光子は、時間とともに他方に移り、また戻ることを繰り返す。しかし、図８の右側に示すように、キャビティに物体があって共振状態にならないと、光子は一方のキャビティにとどまる。これを利用して、キャビティに物体があることを、無相互作用で測定することができる。また、キャビティを１つにして測定することも提案されている。
【０００８】
ところで、「一個の光子も当たらない」という条件を、「ある程度以上の強さの光は当たらない」という条件に置き換えて、多数の光子の集まりであるレーザー光を用いても、古典的無相互作用イメージングが可能である。ＦＰ共振器と、帯域幅の非常に狭いレーザー光を用いて、「高感度写真フイルムを感光させずに、もう１枚の同感度の写真フイルムにその像を得る」ことができる。高感度写真フイルムを観測対象とすることにより、観測対象にある程度（写真フイルムを感光させるために必要な最低光量、数ｐＷ程度）以上の光が当たっていないことを直接検証できる。
【０００９】
また、ＦＰ共振器にレーザー光を入射し、透過光と反射光をＰＩＮフォトダイオードで検出することにより、「高感度写真フイルムを感光させずに、そのポジとネガを同時に得る」ことができる。これは理想的な無相互作用イメージングに特有な性質、すなわち、「観測対象に光を当てずに、そのポジとネガを同時に撮影できる」ことの古典的な実験である。直径が１００〜５００ミクロンの導線を観測対象として、レーザー光を用いた古典的無相互作用イメージングを行い、得られた１次元画像から非常に良い精度で、それらの直径を測定することができる。
【００１０】
【非特許文献１】
Ａ．  Ｅｌｉｔｚｕｒ  ａｎｄ  Ｌ．  Ｖａｉｄｍａｎ，  Ｆｏｕｎｄ．  Ｐｈｙｓ．，  ２３，  ９８７，  （１９９３）
【非特許文献２】
Ｌ．  Ｖａｉｄｍａｎ，  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｏｐｔ．，  ６，  １１９，  （１９９４）
【非特許文献３】
Ｐ．  Ｋｗｉａｔ，  Ｈ．  Ｗｅｉｎｆｕｒｔｈｅｒ，  Ｔ．  Ｈｅｒｚｏｇ，  Ａ．  Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｋａｓｓｅｖｉｃｈ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．，  ７４，  ４７６３，  （１９９５）
【非特許文献４】
Ｐ．  Ｋｗｉａｔ，  Ｈ．  Ｗｅｉｎｆｕｒｔｈｅｒ，  Ｔ．  Ｈｅｒｚｏｇ，  Ａ．  Ｚｅｉｌｉｎｇｅｒ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ｋａｓｓｅｖｉｃｈ，  ｉｎ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ  Ｐｒｏｂｌｅｍｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｔｈｅｏｒｙ，  Ａｎｎ．  （Ｎ．Ｙ．）  Ａｃａｄ．  Ｓｃｉ．  ７５５，  ３８３，  （１９９５）
【非特許文献５】
Ｔ．  Ｔｓｅｇａｙａ，  Ｅ．  Ｇｏｏｂｅｒ，  Ａ．  Ｋａｒｌｓｓｏｎ，  Ｇ．  Ｂｉｊｏｒｋ，  Ｍ．  Ｙ．  Ｌｏｈ，  ａｎｄ  Ｋ．  Ｈ．  Ｌｉｍ，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ａ，  ５７，  ３９８７，  （１９９８）
【非特許文献６】
Ｒ．  Ｗ．  Ｐ．  Ｄｒｅｖｅｒ，  ｅｔａｌ，  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．  Ｂ，  ３１，  ９７，  （１９８３）
【非特許文献７】
Ｐ．  Ｇ．  Ｋｗｉａｔ  ａｎｄ  Ａ．  Ｇ．  Ｗｈｉｔｅ；  “Ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ−Ｆｒｅｅ”  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ：  Ｔｈｅ  Ｉｎ’ｓ  ａｎｄ  Ｏｕｔ’ｓ  ｏｆ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ  （ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌａｎｌ．ｇｏｖ／ｐ／ｐｄｆｓ／ｐｒ／ｐｒ＿９７＿９８／ｉｆｍ．ｐｄｆ）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の無相互作用測定装置では、物体に光が当たる確率を１％以下に抑え、かつ高い確率で、物体の存在不存在を知ることは困難であった。
【００１２】
本発明は、上記従来の問題を解決して、１００％に近い確率で無相互作用測定を並行的に行い、光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」を高分解能で実現することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、無相互作用イメージング装置を、Ｑ値が十分に大きい平面鏡型ファブリ・ペロー共振器と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源と、レーザー光を主ビームと副ビームに分割する偏光ビームスプリッターと、減衰器とサーキュレーターとを介して主ビームを単一光子レベルにして平面鏡型ファブリ・ペロー共振器に照射する手段と、副ビームを平面鏡型ファブリ・ペロー共振器に照射して得た反射光に基づいて平面鏡型ファブリ・ペロー共振器が共振状態を維持するように調整する共振状態調整手段と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器を透過した光子を検出する透過光子検出手段と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器から反射した光子をサーキュレーターを介して検出する反射光子検出手段と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器内において撮影対象物体を移動させる走査手段とを具備する構成とした。このように構成したことにより、１００％に近い確率で無相互作用測定を行い、光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」を実現することができる。
【００１４】
また、無相互作用イメージング装置を、Ｑ値が十分に大きい共焦点ファブリ・ペロー共振器と平面鏡型調整用ファブリ・ペロー共振器とを同じ波長のレーザー光に共振するように一体にした複合型ファブリ・ペロー共振器と、共焦点ファブリ・ペロー共振器の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源と、レーザー光を主ビームと副ビームに分割する偏光ビームスプリッターと、減衰器とサーキュレーターとを介して主ビームを単一光子レベルにして共焦点ファブリ・ペロー共振器に照射する手段と、副ビームを平面鏡型調整用ファブリ・ペロー共振器に照射して得た反射光に基づいて複合型ファブリ・ペロー共振器が共振状態を維持するように調整する共振状態調整手段と、共焦点ファブリ・ペロー共振器を透過した光子を検出する透過光子検出手段と、共焦点ファブリ・ペロー共振器から反射した光子をサーキュレーターを介して検出する反射光子検出手段と、共焦点ファブリ・ペロー共振器の焦点に撮影対象物体を移動させる走査手段とを具備する構成とした。このように構成したことにより、１００％に近い確率かつ高分解能で、無相互作用測定を行うことができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図４を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器を常に共振状態に維持して、共振器内でスキャンした物体の像を、物体にほとんど光を当てずに映像化する無相互作用イメージング装置である。
【００１７】
図１は、本発明の第１の実施の形態における無相互作用イメージング装置の概念図である。図１において、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１は、２枚の平面反射鏡を向かい合わせることによって、光の帰還を行うＱ値が十分に大きい共振器である。光をこれら反射鏡の間を往復させ、閉じ込めることにより定在波をつくる。紛れるおそれのない場合は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器を、単にＦＰ共振器または共振器ということもある。レーザー５は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源である。アイソレーター６は、反射光を除去する手段である。半波長板７は、レーザー光の偏光面を回転する手段である。光変調器８は、レーザー光を変調する手段である。偏光ビームスプリッター９は、直交する偏光を分離する手段である。減衰器１０は、レーザー光を単一光子レベルに減衰させる手段である。サーキュレーター２０は、偏向面を回転させて、入射光と反射光を分離する手段である。サーキュレーター２０の代わりに、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１からの反射光の９９％を反射させて、反射光子検出器１２方向に分岐させるハーフミラーのビームスプリッターを利用してもよい。
【００１８】
反射光子検出器１２は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１からの反射光子を検出する検出器である。透過光子検出器１３は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１からの透過光子を検出する検出器である。発振器１４は、レーザー光を位相変調する信号を発生する手段である。調整用検出器１５は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１からの反射光を検出するアバランシェ・フォトダイオードである。混合器１６は、反射光の信号と発振器の信号を乗算して検波する回路である。増幅器１７は、検波した信号を増幅する手段である。駆動回路１８は、検波結果に基づいて圧電素子を駆動する回路である。圧電素子１９は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１の入射側の平面鏡を変位させる手段である。フィルター２１は、混合器１６の出力信号の低域成分を取り出す低域通過フィルターである。光変調器８と、偏光ビームスプリッター９と、発振器１４と、調整用検出器１５と、混合器１６と、増幅器１７と、駆動回路１８と、圧電素子１９と、フィルター２１と、その他のミラーなどの光学系で、共振状態調整手段を構成している。走査手段２２は、撮影対象物体を移動させて、１次元走査または２次元走査を行う手段である。
【００１９】
図２は、本発明の第１の実施の形態における無相互作用イメージング装置の動作原理の説明図である。図２（ａ）、（ｂ）において、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１は、２つの平面鏡（ハーフミラー）を合せ鏡に配置した光共振器である。図２（ｃ）は、無相互作用イメージング装置の共振器を安定化する方法を示す原理図である。図２（ｄ）は、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の透過光と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の反射光（反転して表示）と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の反射光から求めたエラー信号のグラフである。横軸は平面鏡の間隔である。
【００２０】
上記のように構成された本発明の第１の実施の形態における無相互作用イメージング装置の動作を説明する。最初に、図１を参照しながら、無相互作用イメージング装置の動作の概要を説明する。レーザー光源５で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生する。偏光ビームスプリッター９で、レーザー光を主ビームと副ビームに分割する。減衰器１０とサーキュレーター２０とを介して、主ビームを単一光子レベルにして、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１に照射する。副ビームを平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１に照射して得た反射光に基づいて、共振状態調整手段で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１が共振状態を維持するように調整する。走査手段２２で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１内において、撮影対象物体を移動させる。透過光子検出手段１３で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１を透過した光子を検出する。反射光子検出手段１２で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１から反射した光子を、サーキュレーター２０を介して検出する。
【００２１】
次に、図２（ａ）、（ｂ）を参照しながら、無相互作用イメージング装置の動作原理を説明する。無相互作用測定は、光の量子力学的な性質を利用した測定であるので、それが顕著に現れる単一光子を用いる。ＦＰ共振器１を、入射レーザー光に対して共振状態に設定する。ＦＰ共振器１の共振帯域幅よりも十分狭い帯域幅のレーザー光を発生して、レーザー光を単一光子レベルまで減衰させ、ＦＰ共振器１に入射する。図２（ａ）に示すように、ＦＰ共振器１内に物体が存在しない場合には、光子はＦＰ共振器１を透過する。図２（ｂ）に示すように、ＦＰ共振器１内に物体が存在する場合には、光子は高い確率でＦＰ共振器１の前面ミラーで反射される。
【００２２】
第３に、図２（ｃ）、（ｄ）を参照しながら、共振状態調整法を説明する。平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１は、光子を吸収するものが無い場合には、常に最大の透過率とならなければならない。従来の平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の安定化方法には、反射光から得られるエラー信号をフロントミラーのＰＺＴへフィードバックするＰｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ  ｆｅｅｄｂａｃｋ法がある。詳しくは非特許文献６を参照されたい。しかし、無相互作用測定用の主ビーム（Ｍ線）に、これをそのまま適用するのは不可能である。そこで、Ｐｏｕｎｄ−Ｄｒｅｖｅｒ  ｆｅｅｄｂａｃｋ法を改良して、共振器を安定化する。主ビーム（Ｍ線）と平行に、安定化用の副ビーム（Ｓ線）を入射し、この反射光から得られるエラー信号をフィードバックすることにより、Ｍ線が常に最大の透過率となるようにする。このとき、Ｍ線が最大透過となる共振器長で、Ｓ線も最大透過となるように、Ｓ線をミスアライメントする。そのため、図２（ｄ）のグラフに示すように、Ｓ線のスペクトルは広がり、これから得られるエラー信号も利得の低いものとなってしまう。しかし、高利得の増幅とフィルタリングを行うことにより、Ｍ線の安定化が間接的に可能である。
【００２３】
具体的には、レーザー５として、回折格子によってフィードバックをかけて、帯域幅を１ＭＨｚ以下にした半導体レーザーを用いる。このレーザー光に、光変調器（ＥＯＭ）８で位相変調を施す。変調されたレーザー光を、偏光ビームスプリッター９で、測定用のＭ線と制御用のＳ線の２つに分ける。制御用のＳ線のレーザー光を、ＦＰ共振器１の端部に入射させる。ＦＰ共振器１の前面ミラーで反射されたレーザー光を、調整用検出器（ＡＰＤ）１５で検出する。この信号と、光変調器（ＥＯＭ）８を動作させるための信号とを、混合器１６で混合すると、共振器を安定化するためのエラー信号が得られる。エラー信号の低域成分をフィルター２１で取り出し、増幅器１７で増幅する。駆動回路１８により圧電素子１９を駆動して、圧電素子１９で鏡を変位させる。このようにして、図２に示したグラフのように、共振器のミラーは、共振状態を維持する位置に安定化される。共振状態に安定化したＦＰ共振器１に、測定用のＭ線のレーザー光を、単一光子レベルまで減衰させて入射する。
【００２４】
第４に、再び図１を参照して、無相互作用イメージング装置の動作を詳しく説明する。レーザー光源５で、レーザー光を発生する。このレーザー光は、Ｑ値が十分に大きい共振器である平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光である。発振器１４で、レーザー光を変調する１ＧＨｚの信号を発生して、光変調器８で、レーザー光を位相変調する。レーザー光は、偏光面を維持する単一モードファイバーにより空間的にフィルターをかけられる。レーザー光のモードをガウシアンモードに整形し、ＦＰ共振器１での干渉性を良くするためである。半波長板７で、レーザー光の偏光面を回転し、偏光ビームスプリッター９で、レーザー光を主ビームと副ビームに分割する。副ビームを、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１に照射する。その反射光に基づいて、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１が共振状態を維持するように、共振状態調整手段で調整する。
【００２５】
減衰器１０とサーキュレーター２０とを介して、主ビームを単一光子レベルにして、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１に照射する。光子源としては、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１内に光子が１個しか存在しないようになるレベルまで減衰されたレーザー光（Ｍ線）を用いる。平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１へ単一光子を入射し、光子が反射光子検出器（ＤＲ）１２か透過光子検出器（ＤＴ）１３のどちらに検出されるかによって、測定対象物の有無を観測する。平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１内において、撮影対象物体を走査手段２２で移動させる。線状の物体を撮影する場合は、１次元走査を行う。面状の物体を撮影する場合は、２次元走査を行う。透過光子検出手段１３で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１を透過した光子を検出する。反射光子検出手段１２で、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１から反射した光子を、サーキュレーター２０を介して検出する。
【００２６】
無相互作用イメージング装置の仕様の具体例を説明する。レーザー５の出力光は、波長７８０ｎｍで、パワーが６ｍＷである。スペクトルの半値幅は３００ｋＨｚである。ＦＰ共振器１の鏡の反射率は、０．９８９である。レーザー光（波長７８０ｎｍ）の帯域幅が３００ｋＨｚであるのに対して、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１の帯域幅は１２０ＭＨｚである。このＦＰ共振器１の最大透過率は、ＦＰ共振器１の鏡間の長さが４．３ｍｍのとき、８９％である。透過光検出器（ＤＴ）１３と反射光検出器（ＤＲ）１２の暗計数率は、１００／ｓである。量子効率は、波長７８０ｎｍで６５％である。Ｍ線で共振器に光子が入射しないにもかかわらず、Ｓ線の散乱光による暗計数がある。暗計数の量は、約３０００／ｓである。
【００２７】
無相互作用測定の効率ηは、
η＝（１／２）（Ｐ（Ａ）＋Ｐ（Ｐ））
で与えられる。Ｐ（Ｐ）は、物体ありの場合の成功可能性である。Ｐ（Ａ）は、物体なしの場合の成功率である。成功率は、すべての計数と正しい計数の比である。入力光子束Ｃ０が１０６／ｓの時の透過光検出器（ＤＴ）１３と反射光検出器（ＤＲ）１２の計数量は、物体がない場合、３２８１６５と８９１３６である。物体がある場合、２７４７と５３０８３５である。この実験結果によると、Ｐ（Ａ）は０．７８６である。Ｐ（Ｐ）は、この結果だけからはわからない。透過光検出器（ＤＴ）１３の計数量には、吸収された光子の数が含まれていないからである。その量は、
Ｒａｂ＝Ｃ０（１−Ｒ）
で計算される。Ｒは、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１の前面鏡の反射率である。Ｒａｂは、Ｃ０とＲが１０６と０．９８９であるとすると、１１０００／ｓである。Ｒａｂから考えると、Ｐ（Ｐ）は、０．９７４である。これらより、この無相互作用測定の効率は、０．８８である。共振点に安定化した平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１により、無相互作用測定を行った結果、光子の吸収なしに物体の存在を検出できた率は、９７．４％である。物体の不存在を検出できた率は、７８．６％である。この結果、無相互作用測定の効率は、８８％となる。
【００２８】
無相互作用測定が実行されるとき、１つ以上の光子が測定時間中に共振器内に存在する確率を、無視できる程度にする必要がある。そのため、Ｍ線の減衰させたレーザー光の光子束Ｃ０は、Ｃ０＜＜１／τでなければならない。τは、測定時間である。測定時間τは、ＦＰ共振器１内の光子の寿命によって決まる。このＦＰ共振器１の光子の寿命は、数ナノ秒である。したがって、入力光子束Ｃ０は、１０９／ｓ以下でなければならない。しかし、Ｃ０の実際的な制限は、１０６／ｓである。なぜなら、検出器の不感時間が５０ｎｓであるからである。
【００２９】
観測対象に光子を当てずに、その存在を確認した際に、ＦＰ共振器１へ入射する次の光子を遮断し、余計な光子が観測対象に当たるのを防ぐために、図示していないが、高速光スイッチを使う。この高速光スイッチは、音響−光（ＡＯ）変調器で光の進行方向を高速で切り替えることができる性質を利用する。共振状態に安定化したＦＰ共振器１と、高速光スイッチを用いて、光を通さない物体（完全吸収体）を観測対象として、無相互作用イメージングを行う。
【００３０】
２枚の超低損失ミラーによって構成された平面鏡型ファブリ・ペロー共振器１を、測定装置として用いることにより、無相互作用測定の効率を制限する光学素子の吸収・散乱損失を、大幅に低減する。共振器ミラーの散乱・吸収損失を、通常の光学素子の約１０００分の１の１０ｐｐｍ程度に抑えることにより、９９％以上の効率を実現することも可能である。このように、「平面鏡型ファブリ・ペロー共振器内に物体があるかないかによって、光子が高い確率で反射するか透過する」ことを利用して、１００％に近い確率で無相互作用測定を実現できる。
【００３１】
上記のように、本発明の第１の実施の形態では、無相互作用イメージング装置を、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器を常に共振状態に維持して、共振器内でスキャンした物体の像を映像化する構成としたので、物体にほとんど光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」を実現できる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態は、共焦点ファブリ・ペロー共振器を常に共振状態に維持して、共振器内でスキャンした物体の像を、物体にほとんど光を当てずに高分解能で映像化する無相互作用イメージング装置である。
【００３３】
図３は、本発明の第２の実施の形態における無相互作用イメージング装置の概念図である。図３において、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａは、焦点位置が同じになるように２つの凹面鏡（片面が平面のハーフミラー）を合せ鏡に配置したＱ値が十分に大きい光共振器である。紛れるおそれのない場合は、共焦点ファブリ・ペロー共振器を、単にＦＰ共振器または共振器ということもある。調整用ファブリ・ペロー共振器１ｂは、２枚の平面反射鏡を向かい合わせることによって、光の帰還を行う共振器である。複合鏡４は、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａの凹面鏡と、調整用ファブリ・ペロー共振器１ｂの平面鏡を一体にした鏡である。その他の構成は、第１の実施の形態と同じである。
【００３４】
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施の形態における無相互作用イメージング装置の原理図である。図４（ｃ）（ｄ）は、無相互作用イメージング装置の共振器を安定化する方法を示す原理図である。図４において、球面ミラー２は、複合鏡４のうち、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａを構成する凹面鏡の部分である。平面ミラー３は、複合鏡４のうち、調整用ファブリ・ペロー共振器１ｂを構成する平面鏡の部分である。
【００３５】
上記のように構成された本発明の第２の実施の形態における無相互作用イメージング装置の動作を説明する。最初に、図３を参照しながら、無相互作用イメージング装置の動作の概要を説明する。レーザー５で、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａの共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生する。レーザー光を、偏光ビームスプリッター９で、主ビームと副ビームに分割する。副ビームを、調整用ファブリ・ペロー共振器１ｂに照射する。その反射光に基づいて、共振状態調整手段で、複合型ファブリ・ペロー共振器１ａが共振状態を維持するように調整する。減衰器１０とサーキュレーター２０とを介して、主ビームを単一光子レベルにして、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａに照射する。走査手段２２で、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａの焦点に、撮影対象物体を移動させる。透過光子検出手段１２で、共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａを透過した光子を検出する。共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａから反射した光子を、サーキュレーター２０を介して、反射光子検出手段１３で検出する。
【００３６】
レーザー５のレーザーダイオードの光を、光変調器（ＥＯＭ）８で位相変調し、偏光ビームスプリッター９で２本のビームに分ける。測定用ビームをＭ線とよび、安定化用ビームをＳ線とよぶ。Ｍ線の光を減衰して、単一光子レベルまで下げて、無相互作用測定に利用する。他方、Ｓ線の光は、共振器の長さを安定化するために利用する。共振器の長さが共振位置に安定化されると、物体がない場合には光子のほとんどが透過し、透過光子検出器（ＤＴ）１３で検出される。物体があると、光子のほとんどは共振器の前方（入射側）の鏡で反射され、反射光子検出器（ＤＲ）１２で検出される。共振器を構成するミラーの反射率で決まる少数の光子は、物体に吸収される。
【００３７】
共焦点ＦＰ共振器１ａに、レーザー光を減衰させることにより得られる単一光子を入射させて、物体が共焦点ＦＰ共振器１ａ内にない場合の透過率と、物体が共焦点ＦＰ共振器１ａ内にある場合の反射率を、高効率単一光子検出器で測定することにより、無相互作用測定の効率を求めることができる。例えば、共振器ミラーの散乱・吸収による光子の損失が０．１％程度である場合は、無相互作用測定の効率は８２％である。なお、この例では、共振器の安定化は行っていない。
【００３８】
次に、図４（ａ）、（ｂ）を参照しながら、無相互作用イメージング装置の動作原理を説明する。基本的な部分は、第１の実施の形態と同じである。無相互作用イメージングにおいて高分解能を得るために、共焦点ＦＰ共振器１ａを用いる。共焦点ＦＰ共振器１ａは、入射レーザー光に対して共振状態にあり、レーザー光の帯域幅は、共焦点ＦＰ共振器１ａの帯域幅よりも十分狭い。レーザー光を単一光子レベルまで減衰させ、共焦点ＦＰ共振器１ａ内で焦点に集まるように球面波にして、共焦点ＦＰ共振器１ａに入射する。共焦点ＦＰ共振器１ａ内に物体が存在しない場合には、光子は共焦点ＦＰ共振器１ａを透過する。共焦点ＦＰ共振器１ａ内に物体が存在する場合には、光子は高い確率で共焦点ＦＰ共振器１ａの前面ミラーで反射される。
【００３９】
第３に、図４（ｃ）、（ｄ）を参照しながら、無相互作用イメージング装置の共焦点ＦＰ共振器１ａを安定化する方法を説明する。単一光子を用いて高い確率で無相互作用測定を行うには、入射光子に対して常に共振条件を満たすように、共焦点ＦＰ共振器１ａを維持しなければならない。共焦点ＦＰ共振器１ａの共振状態を安定に維持するためには、誤差信号検出用のレーザー光も、無相互作用測定を行う単一光子と共に、共焦点ＦＰ共振器１ａに入射しなければならない。しかしながら、通常の共焦点ＦＰ共振器１ａでは、無相互作用測定に用いる単一光子と、共焦点ＦＰ共振器１ａを共振状態に安定に維持するためのレーザー光を、空間的に分離することはできない。そのため、共焦点ＦＰ共振器１ａを共振状態に安定化した状態で無相互作用測定を行うことはできない。
【００４０】
この問題を解決するために、図４（ｃ）に示すように、平面ミラー３の中心部が球面ミラー２となっている特殊な複合鏡４を用いる。無相互作用測定を行う共焦点ＦＰ共振器１ａと、それを共振状態に安定化するためのレーザー光を入射する調整用ＦＰ共振器１ｂとを、１枚の平面ミラーの中心部を球面に磨くことにより、一体的に構成する。すなわち、２つの共振器を機能的に分離して、複合鏡４を用いて一体化する。これにより、無相互作用測定に用いる単一光子と、共焦点ＦＰ共振器１ａの安定化に用いるレーザー光とを、空間的に分離することができる。したがって、共焦点ＦＰ共振器１ａを共振状態に安定化した状態で、高効率・高分解能の無相互作用イメージングを実現することができる。
【００４１】
この特殊な複合鏡４によって構成された共焦点ＦＰ共振器１ａを、共振状態に安定化する制御方法を説明する。基本的には、第１の実施の形態と同じである。位相変調を施したレーザー光を２つに分け、一方の光を、平面ミラー３で構成された調整用ＦＰ共振器１ｂに入射させる。調整用ＦＰ共振器１ｂの前面ミラーで反射されたレーザー光を、調整用検出器（ＡＰＤ）１５で検出する。検出した信号と、光変調器（ＥＯＭ）８を動作させるための信号とを、混合器１６で混合して、エラー信号を得る。エラー信号の低域成分をフィルター２１で取り出し、増幅器１７で増幅する。駆動回路１８で圧電素子１９を駆動して、複合鏡４を変位させる。このようにして、共振器のミラーは、共振状態を維持する位置に安定化される。共振状態に安定化した共焦点ＦＰ共振器１ａに、もう一方のレーザー光を、単一光子レベルまで減衰させて入射する。共焦点ファブリ・ペロー共振器１ａの焦点のサイズが最小になるように、球面ミラー２の曲率半径とレーザー光の波長を最適化すれば、数１０ミクロン程度の分解能で無相互作用イメージングを行うことも可能になる。曲率半径＝１０ｍｍ、波長＝４００ｎｍの場合には、焦点のサイズは約２５μｍになる。
【００４２】
上記のように、本発明の第２の実施の形態では、無相互作用イメージング装置を、共焦点ファブリ・ペロー共振器を常に共振状態に維持しながら、共振器内に物体が存在するか否かを検出する構成としたので、１００％に近い確率かつ高分解能で無相互作用測定を行い、物体にほとんど光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」を実現することができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明では、無相互作用イメージング装置を、Ｑ値が十分に大きい平面鏡型ファブリ・ペロー共振器と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器の共振帯域幅より十分狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源と、レーザー光を主ビームと副ビームに分割する偏光ビームスプリッターと、減衰器とサーキュレーターとを介して主ビームを単一光子レベルにして平面鏡型ファブリ・ペロー共振器に照射する手段と、副ビームを平面鏡型ファブリ・ペロー共振器に照射して得た反射光に基づいて平面鏡型ファブリ・ペロー共振器が共振状態を維持するように調整する共振状態調整手段と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器を透過した光子を検出する透過光子検出手段と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器から反射した光子をサーキュレーターを介して検出する反射光子検出手段と、平面鏡型ファブリ・ペロー共振器内において撮影対象物体を移動させる走査手段とを具備する構成としたので、１００％に近い確率で無相互作用測定を行い、光を当てずに物を見る「無相互作用イメージング」を実現することができる。
【００４４】
また、Ｑ値が十分に大きい共焦点ファブリ・ペロー共振器と平面鏡型調整用ファブリ・ペロー共振器とを同じ波長のレーザー光に共振するように一体にした複合型ファブリ・ペロー共振器と、共焦点ファブリ・ペロー共振器の共振帯域幅より狭い帯域幅のレーザー光を発生するレーザー光源と、レーザー光を主ビームと副ビームに分割する偏光ビームスプリッターと、減衰器とサーキュレーターとを介して主ビームを単一光子レベルにして共焦点ファブリ・ペロー共振器に照射する手段と、副ビームを平面鏡型調整用ファブリ・ペロー共振器に照射して得た反射光に基づいて複合型ファブリ・ペロー共振器が共振状態を維持するように調整する共振状態調整手段と、共焦点ファブリ・ペロー共振器を透過した光子を検出する透過光子検出手段と、共焦点ファブリ・ペロー共振器から反射したレーザー光をサーキュレーターを介して検出する反射光検出手段と、共焦点ファブリ・ペロー共振器の焦点に撮影対象物体を移動させる走査手段とを具備する構成としたので、１００％に近い確率かつ高分解能で、無相互作用測定を行うことができる。
【００４５】
特に、医学においては、光を当てると死滅してしまう細胞やある種のバクテリアを、生きたままの状態で観察できるので、従来の方法では解明できなかった細胞やバクテリアの働きを解き明かすことができる。また、Ｘ線領域で高い性能をもつ光学素子が将来開発されれば、Ｘ線を照射せずにレントゲン写真を撮ることができるので、Ｘ線が人体におよぼす悪影響を完全に無くすことができる。物質科学においては、感光性物質を感光させずにその形状検査を行うことができる。さらに、物理学においては、量子力学の基本原理の実証実験を行うことができ、現代物理学における未解決問題のいくつかを解くことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における無相互作用イメージング装置の概念図、
【図２】本発明の第１の実施の形態における無相互作用イメージング装置の動作原理の説明図、
【図３】本発明の第２の実施の形態における無相互作用イメージング装置の概念図、
【図４】本発明の第２の実施の形態における無相互作用イメージング装置の動作原理の説明図、
【図５】従来の無相互作用測定（ＥＶ法）の原理を示す図、
【図６】従来の量子ゼノン効果を利用したマッハツェンダー干渉計の原理を示す図、
【図７】従来のマイケルソン干渉計を利用した無相互作用測定装置の原理を示す図、
【図８】従来の２つのキャビティを用いて無相互作用測定を行う方法の動作原理図である。
【符号の説明】
１  平面鏡型ファブリ・ペロー共振器
１ａ  共焦点ファブリ・ペロー共振器
１ｂ  調整用ファブリ・ペロー共振器
２  球面ミラー
３  平面ミラー
４  複合鏡
５  レーザー
６  アイソレーター
７  半波長板
８  光変調器
９  偏光ビームスプリッター
１０  減衰器
１２  反射光子検出器
１３  透過光子検出器
１４  発振器
１５  調整用検出器
１６  混合器
１７  増幅器
１８  駆動回路
１９  圧電素子
２０  サーキュレーター
２１  フィルター
２２  走査手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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