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特許7636811拡散光トモグラフィー装置、後方散乱光測定装置、分析方法、分析装置、及びプログラム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2025-02-18
(45)【発行日】2025-02-27
(54)【発明の名称】拡散光トモグラフィー装置、後方散乱光測定装置、分析方法、分析装置、及びプログラム
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20250219BHJP
G01N 21/17 20060101ALI20250219BHJP
G01N 21/47 20060101ALI20250219BHJP
G01N 21/49 20060101ALI20250219BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 B
G01N21/17 610
G01N21/47 Z
G01N21/49 C
G01N21/17 A
【請求項の数】
5
(21)【出願番号】P 2022503618
(86)(22)【出願日】2021-02-22
(86)【国際出願番号】 JP2021006681
(87)【国際公開番号】W WO2021172290
(87)【国際公開日】2021-09-02
【審査請求日】2022-07-22
(31)【優先権主張番号】P 2020030796
(32)【優先日】2020-02-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】503359821
【氏名又は名称】国立研究開発法人理化学研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】松▲崎▼ 維信
(72)【発明者】
【氏名】田原 太平
(72)【発明者】
【氏名】石井 邦彦
【審査官】田中 洋介
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１９／１５８２６０（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１３－１１７５２９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５７９６４７７（ＵＳ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０３８９７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－０９１３４９（ＪＰ，Ａ）
【文献】荒畑雅也，LiNbO3結晶を用いた可視－赤外域量子もつれ光子対の生成と評価，第80回応用物理学会秋季学術講演会 講演予稿集，公益社団法人応用物理学会 The Japan Society of Applied Physics，2019年，p.21a-E207-6
【文献】Anna PATEROVA et al.，Measurement of infrared optical constants with visible photons，New Journal of Physics，2018年04月12日，Vol.20, No.4，p.043015，DOI: 10.1088/1367-2630/aab5ce
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００－２１／９５８
Ｇ０１Ｊ １／００－１／６０
ＪＳＴＰｌｕｓ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴＣｈｉｎａ（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を生成する生成ステップと、前記複数の単一光子のうち第１の単一光子を検出する第１の検出ステップと、
前記複数の単一光子のうち第２の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の単一光子を検出する第２の検出ステップと、
前記第１の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第２の検出ステップにおける検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析ステップと
を含む分析方法を実行する拡散光トモグラフィー装置であって、
前記第２の検出ステップにおいて、前記対象物を透過した透過光を前記第３の単一光子として検出する
ことを特徴とする拡散光トモグラフィー装置。
【請求項2】
互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を生成する生成ステップと、前記複数の単一光子のうち第１の単一光子を検出する第１の検出ステップと、
前記複数の単一光子のうち第２の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の単一光子を検出する第２の検出ステップと、
前記第１の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第２の検出ステップにおける検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析ステップと
を含む分析方法を実行する後方散乱光測定装置であって、
前記第２の検出ステップにおいて、前記対象物である光ファイバーからの後方散乱光を前記第３の単一光子として検出する
ことを特徴とする後方散乱光測定装置。
【請求項3】
互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を生成する生成ステップと、前記複数の単一光子のうち第１の単一光子を検出する第１の検出ステップと、
前記複数の単一光子のうち第２の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の単一光子を検出する第２の検出ステップと、
前記第１の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第２の検出ステップにおける検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析ステップと
を含み、
前記第２の検出ステップに先立ち、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第４の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物を励起させる第１の入射ステップと、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第５の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物をダンプさせる第２の入射ステップと
を含んでいる分析方法。
【請求項4】
互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を生成する生成部と、前記複数の単一光子のうち第１の単一光子を検出する第１の検出部と、
前記複数の単一光子のうち第２の単一光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の単一光子を検出する第２の検出部と、
前記第１の検出部による検出タイミングと、前記第２の検出部による検出タイミングとの時間差を特定して、前記対象物の時間的な特性を分析する分析部と
を備え、
前記第２の単一光子の前記対象物への照射又は入射に先立ち、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第４の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物を励起させる第１の入射部と、
互いに量子もつれ状態にある前記複数の単一光子のうち、第５の単一光子を前記対象物に照射又は入射させることによって、当該対象物をダンプさせる第２の入射部と
を有している分析装置。
【請求項5】
請求項４に記載の分析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、上記第１の検出部、上記第２の検出部、および上記分析部としてコンピュータを機能させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、分析方法、発光分析装置、拡散光トモグラフィー装置、撮像装置、反射率測定装置、分析装置、及びプログラムに関する。
【背景技術】
【0002】
従来、光を用いて、分子や結晶等の対象物の特性を分析する手法が知られている。例えば、２つのパルス光の一方を対象物に照射し、もう一方をリファレンス用として用いることによって対象物の特性を分析する手法が知られている。
【0003】
また、分野や適用対象は異なるが、量子もつれ光子の生成や利用に関する研究も進展している（例えば特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】日本国公開特許公報「特開２００８－２１６３６９（２００８年９月１８日公開）」
【文献】日本国公開特許公報「特表２０１２－５２２９８３（２０１２年９月２７日公表）」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上述のように、パルス光を用いて対象物の特性を分析する手法では、分析装置の規模が大きくなる傾向があり、また、パルス光を照射することによって対象物にダメージを与える可能性があるという課題がある。また、対象物へのダメージを低減させるため、連続光を対象物に照射することも考えられるが、このような手法では、対象物の時間的な特性を特定しづらいという課題がある。
【0006】
本発明の一態様は、上記の課題を解決するためになされたものであり、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することのできる技術を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る分析方法は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成ステップと、前記複数の光子のうち第１の光子を検出する第１の検出ステップと、前記複数の光子のうち第２の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する第２の検出ステップと、前記第１の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第２の検出ステップにおける検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析ステップとを含んでいる。
【0008】
本発明の一態様に係る分析装置は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成部と、前記複数の光子のうち第１の光子を検出する第１の検出部と、前記複数の光子のうち第２の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する第２の検出部と、前記第１の検出部による検出タイミングと、前記第２の検出部による検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析部とを備えている。
【発明の効果】
【0009】
本発明の一態様によれば、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することのできる技術を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】本発明の実施形態１に係る分析装置の構成を示す模式図である。
【図2】本発明の実施形態１に係る分析装置が備える分析部を第１の検出部及び第２の検出部と共に示すブロック図である。
【図3】本発明の実施形態１に係る分析装置において生成される光子対であって、自発的パラメトリック下方変換により発生する光子対を示す図である。
【図4】本発明の実施形態１に係る分析装置において生成される光子対であって、自発的パラメトリック下方変換により発生する光子対を示す図である。
【図5】本発明の実施形態１に係る分析装置による処理の流れを示すフローチャートである。
【図6】本発明の実施形態２に係る発光分析装置の構成を示すブロック図である。
【図7】本発明の実施形態２に係る発光分析装置の演算部の構成を示すブロック図である。
【図8】本発明の実施形態２に係る発行分析装置の検出部による検出結果例を示すグラフである。
【図9】本発明の実施形態２に係る発光分析装置による検出結果例を示すグラフである。
【図10】本発明の実施形態３に係る拡散光トモグラフィー装置の構成を示すブロック図である。
【図11】本発明の実施形態３に係る拡散光トモグラフィー装置の演算部の構成を示すブロック図である。
【図12】本発明の実施形態４に係る撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図13】本発明の実施形態４に係る撮像装置の演算部の構成を示すブロック図である。
【図14】本発明の実施形態５に係る反射率測定装置の構成を示すブロック図である。
【図15】本発明の実施形態５に係る反射率測定装置の演算部の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
〔実施形態１〕
＜概要＞
以下、本発明の一実施形態に係る分析装置について説明する。本実施形態に係る分析装置は、複数の光子のうち、ある光子を参照用（リファレンス）として用い、他の光子を対象物への照射又は入射用（測定用と呼ぶこともある）として用いることによって、対象物に関する特性を分析する装置である。分析装置１は、一般的にＴＣＳＰＣ（Time-Correlated Single Photon Counting）装置と呼ばれる装置の一例ともみなされ得る。
＜概要＞
以下、本発明の一実施形態に係る分析装置について説明する。本実施形態に係る分析装置は、複数の光子のうち、ある光子を参照用（リファレンス）として用い、他の光子を対象物への照射又は入射用（測定用と呼ぶこともある）として用いることによって、対象物に関する特性を分析する装置である。分析装置１は、一般的にＴＣＳＰＣ（Time-Correlated Single Photon Counting）装置と呼ばれる装置の一例ともみなされ得る。
【0012】
ここで、本実施形態に係る上記複数の光子は、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子である。ここで、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子は、互いに時間的に同期している。なお、本実施形態に係る上記複数の光子は、より具体的には、互いに量子もつれ状態にある２つの単一光子である。
【0013】
従来、時間的に同期しているパルス波を用いて、対象物の特性を分析する技術が知られているが、パルス波を用いると対象物へのダメージが大きいという問題がある。また、対象物へのダメージを小さくするために連続光を用いることも考えられるが、このように連続光を用いる場合、対象物の時間的な特性を測定することが困難であるという問題があった。
【0014】
また、従来の手法では、パルス波を発生させる装置が必要であるため、装置の構成が複雑化するという問題があった。また、対象物の時間的な特性について複数の成分が存在する場合（例えば、複数の蛍光寿命成分が存在する場合）、様々な変調周波数で測定を行う必要があり、蛍光寿命決定のための測定及び解析が煩雑であるという問題があった。
【0015】
本実施形態に係る分析装置では、複数の光子のうち、ある光子をリファレンスとして用い、他の光子を対象物への照射又は入射用として用いることによって、対象物に関する特性を分析する。本実施形態に係る分析装置では、後述するように、互いに量子もつれ状態にある複数の光子がランダムなタイミングで発生する。このため、パルス波を用いた場合と異なり、多数の光子が同時に対象物へと照射されることがなく、その結果、対象物へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物の特性を分析することができる。
【0016】
また、本実施形態に係る分析装置の一構成例によれば、パルス波を用いる場合に比べて、パルス波を発生させる装置が必要ないため、装置全体の構成をシンプルにすることができるというメリットもある。その一方、対をなしている２つの光子が時間的に同期されているという性質を用いると、パルス波を用いた場合と同様に対象物の時間的な特性を直接的に計測することができ、対象物の時間的な特性について複数の成分が存在する場合（例えば、複数の蛍光寿命成分が存在する場合）にも、ただ一つの連続光の光源で計測することができる。このため、光源についての都度の強度変調が不要であるというメリットもある。
【0017】
＜構成例＞
以下では、図面を参照して、本実施形態に係る分析装置の構成例について説明する。図１は、本実施形態に係る分析装置１の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、分析装置１は、一例として、光源１０、第１のミラー２１、第１のレンズ２２、第１のバンドパスフィルタ２３－１、第２のバンドパスフィルタ２３－２、第２のミラー２４、第３のミラー２５、第２のレンズ２６、第３のレンズ２７、ロングパスフィルタ２８、第４のレンズ２９、第５のレンズ３０、第１の検出部５０、第２の検出部６０、及び分析部７０を備えて構成される。
以下では、図面を参照して、本実施形態に係る分析装置の構成例について説明する。図１は、本実施形態に係る分析装置１の構成例を示すブロック図である。図１に示すように、分析装置１は、一例として、光源１０、第１のミラー２１、第１のレンズ２２、第１のバンドパスフィルタ２３－１、第２のバンドパスフィルタ２３－２、第２のミラー２４、第３のミラー２５、第２のレンズ２６、第３のレンズ２７、ロングパスフィルタ２８、第４のレンズ２９、第５のレンズ３０、第１の検出部５０、第２の検出部６０、及び分析部７０を備えて構成される。
【0018】
光源１０は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を時間的に同期して生成する。光源１０は、一例として、連続光源１１、光源用レンズ１２、及び結晶性物質１３を備えている。連続光源１１は、例えば、特定の波長を有する連続光であるレーザを生成するレーザ光源であるが、これは本実施形態を限定するものではない。なお、連続光源１１が生成する連続光をポンプ光と呼ぶこともある。また、光源１０を生成部と呼称することもある。
【0019】
結晶性物質１３は、連続光源１１からの連続光の入射に応じて、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する。一例として、結晶性物質１３は、互いに量子もつれ状態にある２つの光子（光子対）を生成する。また、結晶性物質１３は、ランダムなタイミングで光子対を生成する。結晶性物質１３の一例として非線形光学結晶を挙げることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。結晶性物質１３の具体例については後述する。
【0020】
第１のミラー２１は、光源１０から供給される複数の光子のうち、第１の光子を第１の経路に沿って向き付けし、当該第１の光子とは異なる第２の光子を第２の経路に沿って向き付けする。第１のミラー２１の具体的構成は本実施形態を限定するものではないが、第１の光子、及び第２の光子を好適に反射する構成であることが好ましい。
【0021】
第１のレンズ２２は、第１の光子及び第２の光子を屈折させ、一例として、図１に示すように、第１の光子と第２の光子とが互いに平行に伝搬するように、第１の光子及び第２の光子を向き付けする。
【0022】
第１のバンドパスフィルタ２３－１は、第１の光子のうち、第１の角振動数を有する光子を透過させ、当該第１の角振動数を有する光子以外を遮断する。また、第２のバンドパスフィルタ２３－２は、第２の光子のうち、第２の角振動数を有する光子を透過させ、当該第２の角振動数を有する光子以外を遮断する。
【0023】
なお、上記第１の角振動数及び第２の角振動数は、両者の和が連続光源１１の角振動数に一致するという条件のもとで、光源１０、対象物４０、第１の検出部５０、及び第２の検出部６０等の特性に応じて適宜好適な値を選択すればよい。
【0024】
第１の光子は、第１の経路に沿って進み、第４のレンズ２９を透過したうえで、第１の検出部５０によって検出され、検出信号が分析部７０に供給される。
【0025】
一方で、第２の光子は、第２のミラー２４及び第３のミラー２５によって反射されたうえで、第２の経路上に配置された第２のレンズ２６を透過する。そして、第２のレンズ２６を透過した第２の光子は、対象物４０に照射又は入射させられる。
【0026】
ここで、対象物４０は、第２の光子を照射又は入射させられたことに応じて、第３の光子を放出する。第３の光子は、第２の光子と同一の光子であってもよいし、第２の光子とは異なる光子であってもよく、当該事項は本実施形態を限定するものではない。また第３の光子は複数の単一光子であってもよい。
【0027】
放出された第３の光子は、第３のレンズ２７及びロングパスフィルタ２８を経由したうえで、第５のレンズ３０を透過する。ロングパスフィルタ２８は、第３の光子のうち、特定の第３の角振動数以下の角振動数を有する光子を透過させ、それ以外の光子を遮断する。第５のレンズ３０を透過した第３の光子は、第２の検出部６０によって検出され、検出信号が分析部７０に供給される。
【0028】
なお、第１の検出部５０及び第２の検出部６０としては、一例として単一光子検出器を用いることができる。より具体的には、１光子適用型のアバランシェフォトダイオードを用いることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。
【0029】
以上のように構成された分析装置１では、第１の光子は、対象物４０に照射又は入射させられることなく、第１の検出部５０に到達し検出される。一方で、第２の光子は、対象物４０に照射又は入射され、それに応じて得られる第３の光子が、第２の検出部６０に到達し検出される。
【0030】
一般に、対象物４０に第２の光子が照射又は入射した後に、第３の光子が得られるまでには０でない応答時間を要する。このため、図１に示すように、第３の光子が第２の検出部６０によって検出されるタイミングは、第１の光子が第１の検出部５０によって検出されるタイミングよりも遅延する。分析部７０は、この遅延時間を特定し参照することによって、対象物４０に関する特性を分析する。換言すれば、分析装置１は、第１の光子の検出タイミングを、対象物４０の特性の分析のリファレンスとして用いる。
【0031】
（分析部）
続いて図２を参照して分析部７０の構成例について説明する。分析部７０は、上述のように、第１の検出部５０による第１の光子の検出タイミングと、第２の検出部６０による第３の光子の検出タイミングとの差を参照して、対象物４０に関する特性を分析する構成である。
続いて図２を参照して分析部７０の構成例について説明する。分析部７０は、上述のように、第１の検出部５０による第１の光子の検出タイミングと、第２の検出部６０による第３の光子の検出タイミングとの差を参照して、対象物４０に関する特性を分析する構成である。
【0032】
図２に示すように、分析部７０は、第１の取得部７１、第２の取得部７２、第１の変換部７３、第２の変換部７４、及び演算部７５を備えて構成される。
【0033】
第１の取得部７１は、第１の検出部５０による検出信号を取得し、信号処理を行ったうえで第１の変換部７３に供給する。第１の変換部７３は、一例として、第１の検出部５０による検出信号を増幅し、増幅後の信号を第１の変換部７３に供給する。
【0034】
第２の取得部７２は、第１の変換部７３と同様の構成であるが、取得する検出信号が第１の検出部５０による検出信号である点が異なる。
【0035】
第１の変換部７３は、第１の取得部７１から供給される信号を変換し、変換後の信号を演算部７５に供給する。第１の変換部７３は、一例として、第１の取得部７１から供給されるアナログ信号をデジタル信号に変換し、変換後のデジタル信号を演算部７５に供給する。
【0036】
第２の変換部７４は、第１の変換部７３と同様の構成であるが、取得する信号が第２の取得部７２から供給される信号である点が異なる。
【0037】
演算部７５は、第１の検出部５０による第１の光子の検出タイミングと、第２の検出部６０による第３の光子の検出タイミングとの差を参照して、対象物４０に関する特性を分析する。図１に示すように、演算部７５は、第１の検出部５０による第１の光子の検出タイミングと、第２の検出部６０による第３の光子の検出タイミングとの時間差を特定する時間差特定部７５１を備えている。
【0038】
以上のように構成された分析装置１によれば、互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第１の光子は対象物４０を経由せずに検出され、第２の光子が対象物４０に照射又は入射することによって得られる第３の光子は、一例として対象物に応じた遅延時間を有して検出される。そして、分析装置１は、第１の光子の検出タイミングと、第３の光子の検出タイミングとの差を参照して対象物４０に関する特性を分析するので、対象物へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物の特性を好適に分析することができる。
【0039】
＜互いに量子もつれ状態にある光子の生成について＞
以下では、本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」についてより詳細に説明する。なお、以下の説明は、例示的に、非線形光学結晶である結晶性物質１３中の自発的パラメトリック下方変換によって生成された複数の光子を例に挙げ説明するが、これはあくまで説明のためである。本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、非線形光学結晶である結晶性物質１３を用いて生成されたものに限られるものではなく、後述するように様々な生成な方法によって生成されたものでもよい。
以下では、本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」についてより詳細に説明する。なお、以下の説明は、例示的に、非線形光学結晶である結晶性物質１３中の自発的パラメトリック下方変換によって生成された複数の光子を例に挙げ説明するが、これはあくまで説明のためである。本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、非線形光学結晶である結晶性物質１３を用いて生成されたものに限られるものではなく、後述するように様々な生成な方法によって生成されたものでもよい。
【0040】
図３は、結晶性物質１３による光子対の生成例について説明するための模式図である。上述したように、連続光源１１から結晶性物質１３に対してポンプ光が供給され、当該ポンプ光の一部が、結晶性物質１３内における自発的パラメトリック下方変換（SPDC: Spontaneous Parametric Down-Conversion）によって、時間的に同期した２つの単一光子（一方をシグナル光とも呼び、もう一方をアイドラー光とも呼ぶこともある）に変換される。図３では、２つの光子の偏光が互いに異なるタイプＩＩのＳＰＤＣを例示している。
【0041】
ここで、ポンプ光の（角振動数、波数ベクトル）を（ωP、kp）と表記し、生成される２つの光子の（角振動数、波数ベクトル）をそれぞれ、（ω1、k1）（ω2、k2）と表記すると、
ωP = ω1 + ω2 ・・・（式１）
kp = k1 + k2 ・・・（式２）
が満たされる。式１はエネルギー保存則を表しており、式２は運動量保存則を表している。なお、本明細書では、角振動数のことを単に周波数と呼ぶこともある。
ωP = ω1 + ω2 ・・・（式１）
kp = k1 + k2 ・・・（式２）
が満たされる。式１はエネルギー保存則を表しており、式２は運動量保存則を表している。なお、本明細書では、角振動数のことを単に周波数と呼ぶこともある。
【0042】
図３に示すように、ＳＰＤＣによって生成された２つの光子は、ポンプ光に対して対称的に位置する２つの円錐上の経路であって、ポンプ光に対して対称的な経路に沿って伝搬する。
【0043】
図３には、互いに量子もつれ状態にある複数の光子の一例として、光子対Ａを示し、他の例として光子対Ｂを示している。図３に示すタイプＩＩのＳＰＤＣの場合、互いに異なる円錐上を経路とする光子Ａ１、及び光子Ａ２を含む光子対Ａの状態は、一例として、
|Ψ> = |V>1|H>2 ・・・（式３）
又は、
|Ψ> = |H>1|V>2 ・・・（式４）
のように表される。ここで、V,Hは、それぞれ、垂直偏光及び水平偏光を表しており、ケット|>の下付き添え字１、２は、２つの光子を区別するためのインデックスである。式３及び式４に示すように、光子対Ａに含まれる光子Ａ１及び光子Ａ２は、偏光状態に関して、互いにもつれていない。
|Ψ> = |V>1|H>2 ・・・（式３）
又は、
|Ψ> = |H>1|V>2 ・・・（式４）
のように表される。ここで、V,Hは、それぞれ、垂直偏光及び水平偏光を表しており、ケット|>の下付き添え字１、２は、２つの光子を区別するためのインデックスである。式３及び式４に示すように、光子対Ａに含まれる光子Ａ１及び光子Ａ２は、偏光状態に関して、互いにもつれていない。
【0044】
一方で、タイプＩＩのＳＰＤＣの場合、２つの円錐の交線を経路とする光子Ｂ１、及び光子Ｂ２を含む光子対Ｂの状態は、一例として、
|Ψ> = (1/√2)|V>1|H>2 + (1/√2)|H>1|V>2・・・（式５）
のように表される。このように、光子対Ｂに含まれる光子Ｂ１及び光子Ｂ２は、偏光状態に関して、互いにもつれた状態にある。
|Ψ> = (1/√2)|V>1|H>2 + (1/√2)|H>1|V>2・・・（式５）
のように表される。このように、光子対Ｂに含まれる光子Ｂ１及び光子Ｂ２は、偏光状態に関して、互いにもつれた状態にある。
【0045】
本実施形態において用いられる、互いに量子もつれ状態にある複数の光子として、上述した光子対Ａに含まれる光子Ａ１及び光子Ａ２を用いてもよいし、光子対Ｂに含まれる光子Ｂ１及び光子Ｂ２を用いてもよい。換言すれば、本実施形態における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、時間的に同期していれば、互いに偏光もつれの関係にあってもよいし、そうでなくてもよい。
図４は、結晶性物質１３による光子対の他の生成例について説明するための模式図である。図４では、２つの光子の偏光が互いに等しいタイプＩのＳＰＤＣを例示している。本例でも、ポンプ光の（角振動数、波数ベクトル）を（ωP、kp）と表記し、生成される２つの光子の（角振動数、波数ベクトル）をそれぞれ、（ω1、k1）（ω2、k2）と表記すると、図３の場合と同様に、上述した式１及び式２が満たされる。
図４に示すように、ＳＰＤＣによって生成された２つの光子は、ポンプ光を軸とする１つの円錐上の経路であって、ポンプ光に対して対称的な経路に沿って伝搬する。
図４には、互いに量子もつれ状態にある複数の光子の一例として、光子対Ｃを示している。図４に示すタイプＩのＳＰＤＣの場合、円錐上を経路とする光子Ｃ１、及び光子Ｃ２を含む光子対Ｃの状態は、一例として、
|Ψ> = |V>1|V>2 ・・・（式３’）
又は、
|Ψ> = |H>1|H>2 ・・・（式４’）
のように表される。ここで、式３’及び式４’に示すように、光子対Ｃに含まれる光子Ｃ１及び光子Ｃ２は、偏光状態に関しては、互いにもつれていない。
本実施形態において用いられる、互いに量子もつれ状態にある複数の光子として、上述した光子対Ｃに含まれる光子Ｃ１及び光子Ｃ２を用いてもよい。
図４は、結晶性物質１３による光子対の他の生成例について説明するための模式図である。図４では、２つの光子の偏光が互いに等しいタイプＩのＳＰＤＣを例示している。本例でも、ポンプ光の（角振動数、波数ベクトル）を（ωP、kp）と表記し、生成される２つの光子の（角振動数、波数ベクトル）をそれぞれ、（ω1、k1）（ω2、k2）と表記すると、図３の場合と同様に、上述した式１及び式２が満たされる。
図４に示すように、ＳＰＤＣによって生成された２つの光子は、ポンプ光を軸とする１つの円錐上の経路であって、ポンプ光に対して対称的な経路に沿って伝搬する。
図４には、互いに量子もつれ状態にある複数の光子の一例として、光子対Ｃを示している。図４に示すタイプＩのＳＰＤＣの場合、円錐上を経路とする光子Ｃ１、及び光子Ｃ２を含む光子対Ｃの状態は、一例として、
|Ψ> = |V>1|V>2 ・・・（式３’）
又は、
|Ψ> = |H>1|H>2 ・・・（式４’）
のように表される。ここで、式３’及び式４’に示すように、光子対Ｃに含まれる光子Ｃ１及び光子Ｃ２は、偏光状態に関しては、互いにもつれていない。
本実施形態において用いられる、互いに量子もつれ状態にある複数の光子として、上述した光子対Ｃに含まれる光子Ｃ１及び光子Ｃ２を用いてもよい。
【0046】
以下では、周波数ωp の光をポンプ光として用いたＳＰＤＣにより、周波数がω1 、ω2 の２つの光子を含む２光子状態|Ψ>が生成される状況を、より詳細に説明することにより、本明細書における「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」についてより詳細に説明する。
【0047】
まず、２つの光子を生成する生成演算子を、それぞれ、
と表記し、光子の存在しない真空状態を|0>と表記すると、２光子状態|Ψ>は以下のように表される。
ここで、式８における
はディラックのデルタ関数であり、このデルタ関数の存在により、式９に示すように、式１に示したエネルギー保存則を満たす場合のみを考慮すればよいことが分かる。
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【0048】
式９から分かるように、２光子状態|Ψ>は、周波数ω1を有する１光子状態と周波数ω2を有する１光子状態との積によって表すことはできない。このような状態を、本明細書では、「周波数（角振動数）に関して互いにもつれている」と表現する。
【0049】
上記の説明は周波数領域での表記であるが、以下では２つの光子間の時間的な相関について調べるために、時間領域での表記に書き直す。まず、フーリエ変換
を式９に代入し、デルタ関数の関係式
を用いてω1の積分を先に計算することによって、
を得る。式１４から分かるように、２つの光子は時間的に同期されている。
【数5】
【数6】
【数7】
【0050】
より具体的に表現するため、一方の光子が経路a、もう片方の光子が経路b に存在するとする。時刻tに光子１つが経路aに存在する状態を、|1>a(t)のように表記することにすると、式１４は次のように書き直すことができる。
更に、時間積分を和で表現したとすると、
・・・（式１６）
を得る。式１５及び式１６から分かるように、２光子状態|Ψ>は、２つの光子の状態の積として表記することはできない。このような状態を、本明細書では、「時間に関して互いにもつれている」と表現する。
【数8】
【数9】
を得る。式１５及び式１６から分かるように、２光子状態|Ψ>は、２つの光子の状態の積として表記することはできない。このような状態を、本明細書では、「時間に関して互いにもつれている」と表現する。
【0051】
以上説明したように、本実施形態において用いられる「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」は、一例として、周波数（角振動数）又は時間に関して互いにもつれている複数の光子のことである。
【0052】
＜結晶性物質について＞
本実施形態に係る結晶性物質１３についてより具体的に説明すれば以下の通りである。上述したように、光源１０は結晶性物質１３を備える構成に限定されるものではないが、光源１０は結晶性物質１３を備える構成とすることによって、分析装置１の構成をよりシンプルにすることができるというメリットがある。
本実施形態に係る結晶性物質１３についてより具体的に説明すれば以下の通りである。上述したように、光源１０は結晶性物質１３を備える構成に限定されるものではないが、光源１０は結晶性物質１３を備える構成とすることによって、分析装置１の構成をよりシンプルにすることができるというメリットがある。
【0053】
結晶性物質１３は、一例として、入射光に対して結晶が非線形的に応答し、かつ複屈折が存在する非線形光学結晶である。ただし、これは本実施形態を限定するものではない。
【0054】
結晶性物質１３の具体例として、ＢＢＯ（β－ＢａＢ２Ｏ４）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）、ｐｐＫＴＰ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｌｅｄ ＫＴｉＯＰＯ４）、ｐｐＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｌｅｄ ＬｉＮｂＯ３）などを挙げることができる。ただし、これらの具体例は、本実施形態を限定するものではない。
【0055】
また、非線形光学結晶を用いたＳＰＤＣには、上述したように、互いに偏光方向が同じ２つの光子を生成するタイプＩと、互いに偏光方向が異なる２つの光子を生成するタイプＩＩとが存在する。本実施形態では、タイプＩ及びタイプＩＩのＳＰＤＣを用いてもよい。例えば、ＢＢＯを用いてタイプＩＩのＳＰＤＣにより光子対を生成してもよいし、ＢＢＯを用いてタイプＩのＳＰＤＣにより光子対を生成してもよい。
【0056】
なお、結晶性物質１３による光子対の発生頻度は本実施形態を限定するものではないが、ポンプ光の強度を調整することにより、一例として１秒あたり数回～数百万回程度とすることができる。
【0057】
また、結晶性物質１３の他の例として、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）結晶内の自発分極を、異なる２つの周期で反転させて得られる物質を用いてもよい。このように構成された物質において、２つの異なる位相整合条件を制御することによって、それぞれの領域で発生しうる光子のペアがもつ偏光と周波数が互い違いに相関している量子もつれ状態を直接発生させることができる。
【0058】
このようにして生成された光子対も、本実施形態に係る「互いに量子もつれ状態にある複数の光子」として用いることができる。
【0059】
＜その他の光源構成例＞
光源１０の構成例は、上述の例に限定されるものではない。例えば、光源１０は、結晶性物質１３を備える代わりに、マッハ・ツェンダー干渉計、マイケルソン型干渉計、及び、サニャック型干渉計の何れかを備え、これらの干渉計の何れかによって、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する構成としてもよい。
光源１０の構成例は、上述の例に限定されるものではない。例えば、光源１０は、結晶性物質１３を備える代わりに、マッハ・ツェンダー干渉計、マイケルソン型干渉計、及び、サニャック型干渉計の何れかを備え、これらの干渉計の何れかによって、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する構成としてもよい。
【0060】
＜第２の光子及び第３の光子について＞
上述したように、本実施形態に係る第３の光子は、第２の光子が対象物４０に照射又は入射することによって得られる。第２の光子及び第３の光子は、対象物４０や分析装置１の適用の仕方によって、互いに同じ光子であるとの解釈がより好適な場合もあるし、互いに異なる光子であるとの解釈がより好適な場合もある。
上述したように、本実施形態に係る第３の光子は、第２の光子が対象物４０に照射又は入射することによって得られる。第２の光子及び第３の光子は、対象物４０や分析装置１の適用の仕方によって、互いに同じ光子であるとの解釈がより好適な場合もあるし、互いに異なる光子であるとの解釈がより好適な場合もある。
【0061】
例えば、対象物４０の一例として、発光性（蛍光性、燐光性）の物質を用いた場合、対象物４０に第２の光子が吸収されることにより対象物４０が励起状態に遷移する。そして、当該励起状態から、よりエネルギーの低い状態への遷移に伴い、第３の光子が放出される。このような例では、第３の光子は、第２の光子とは異なる光子であるとの解釈が好適である。
【0062】
他の例として、第２の光子が、ミラーで反射されたり対象物４０としてのファイバー中を伝播する場合を考えると、これらの過程で第２の光子は、反射されたり透過するだけであるので、第２の光子と第３の光子は同じ光子であるとの解釈が好適に成り立つ。
【0063】
その一方で、第３の光子は第２の光子とは進行方向が異なっており、ファイバー中を伝播中に光子の波束の時間幅が広くなる可能性もある。このように、第２の光子と第３の光子の物理的な性質は一般に、完全に同一ではない。したがって、そのような意味で、第２の光子と第３の光子は互いに異なる光子であるとの解釈も成り立つ。
【0064】
本実施形態に記載の発明を特定するにあたり、第２の光子と第３の光子とが同一であるのか異なるものであるのかは、対象物４０や分析装置１の適用の仕方に応じてどのように解釈するのかという解釈論を含む事項であり、本質的ではない。
【0065】
【0066】
（ステップＳ１１）
まず、ステップＳ１１において、光源１０は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する。ここで、光源１０による光子の生成については、すでに説明した方法を用いればよい。
まず、ステップＳ１１において、光源１０は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する。ここで、光源１０による光子の生成については、すでに説明した方法を用いればよい。
【0067】
（ステップＳ１２）
続いて、ステップＳ１２において、第１の検出部５０は、ステップＳ１１において生成された互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第１の経路を伝搬した第１の光子を検出する。
続いて、ステップＳ１２において、第１の検出部５０は、ステップＳ１１において生成された互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第１の経路を伝搬した第１の光子を検出する。
【0068】
（ステップＳ１３）
続いて、ステップＳ１３において、第２の検出部６０は、ステップＳ１１において生成された互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第２の光子を対象物４０に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する。
続いて、ステップＳ１３において、第２の検出部６０は、ステップＳ１１において生成された互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第２の光子を対象物４０に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する。
【0069】
（ステップＳ１４）
ステップＳ１４において、分析部７０は、ステップＳ１２における第１の検出部５０による検出タイミングと、ステップＳ１３における第２の検出部６０による検出タイミングとの差を参照して、対象物４０に関する特性を分析する。
ステップＳ１４において、分析部７０は、ステップＳ１２における第１の検出部５０による検出タイミングと、ステップＳ１３における第２の検出部６０による検出タイミングとの差を参照して、対象物４０に関する特性を分析する。
【0070】
以上のステップを含む分析方法によれば、互いに量子もつれ状態にある複数の光子のうち、第１の光子は対象物４０を経由せずに検出され、第２の光子が対象物４０に照射又は入射することによって得られる第３の光子は、一例として対象物に応じた遅延時間を有して検出される。そして、分析装置１は、第１の光子の検出タイミングと、第３の光子の検出タイミングとの差を参照して対象物４０に関する特性を分析するので、対象物へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物の特性を好適に分析することができる。
【0071】
なお、上記の説明では、ステップＳ１２において第１の光子が検出された後に、ステップＳ１３において第２の光子が検出される場合を例に挙げたが、これは本実施形態を限定するものではない。第１経路、及び第２の経路の構成の仕方によっては、ステップＳ１２において第１の光子が検出される前に、ステップＳ１３において第２の光子が検出される場合もあり得る。このような例も本実施形態に含まれる。
【0072】
また、何れの場合であっても、第１の光子及び第２の光子のうち、一方の光子が先に検出されることによって、もう一方の光子の波束の収縮が発生し得る。
【0073】
（本明細書に記載の発明の学際的側面）
本明細書に記載の分析方法及び分析装置は、上述のように、一例として、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を発生させ、発生させた光子を分光学（一例として分子分光学）に利用している。ここで、量子もつれ状態にある複数の光子という量子光学的なオブジェクトの利用は、従来量子光学という範疇の中での利用に留まっており、分光学に適用されることはなかった。本願の発明者は、量子もつれ状態にある複数の光子という量子光学的なオブジェクトを、分光学に適用するという新たな知見を得たことによって初めて本明細書に記載の発明に想到することができたものである。このように、本明細書に記載の分析方法及び分析装置は、当業者であっても容易には結び付けることのできない２つの分野を融合させたという高度な学際的側面を有する。
本明細書に記載の分析方法及び分析装置は、上述のように、一例として、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を発生させ、発生させた光子を分光学（一例として分子分光学）に利用している。ここで、量子もつれ状態にある複数の光子という量子光学的なオブジェクトの利用は、従来量子光学という範疇の中での利用に留まっており、分光学に適用されることはなかった。本願の発明者は、量子もつれ状態にある複数の光子という量子光学的なオブジェクトを、分光学に適用するという新たな知見を得たことによって初めて本明細書に記載の発明に想到することができたものである。このように、本明細書に記載の分析方法及び分析装置は、当業者であっても容易には結び付けることのできない２つの分野を融合させたという高度な学際的側面を有する。
【0074】
〔実施形態２〕
以下では、本発明の第２の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
以下では、本発明の第２の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【0075】
図６は本実施形態に係る発光分析装置１００の構成を示すブロック図である。図６に示すように、発光分析装置１００は、分析装置１ａを備えている。分析装置１ａは、実施形態１において説明した分析装置１が備える演算部７５に代えて、演算部７５ａを備えている。分析装置１ａのその他の構成は、実施形態１に係る分析装置１と同様である。
【0076】
発光分析装置１００は、発光性を有する対象物４０の特性を分析する装置である。ここで、発光には、蛍光及び燐光（蓄光）が含まれる。発光分析装置１００は、一例として対象物４０の発光寿命（例えば、蛍光寿命、燐光寿命）を特定する。
【0077】
図７は分析装置１ａが備える演算部７５ａの構成を示すブロック図である。図７に示すように、演算部７５ａは、時間差特定部７５１、及び発光寿命特定部７５２を備えている。発光寿命特定部７５２は、時間差特定部７５１が特定した第１の光子の検出タイミングと第３の光子の検出タイミングとを参照し、対象物４０の発光寿命を特定する。
【0078】
【0079】
図８は、比較用として第２の経路上に対象物４０を配置しない状況において、発光分析装置１００において検出された第１の光子の検出タイミングと第３の光子の検出タイミングとの差をプロットした実験結果である。
【0080】
図８に示すように、第２の経路上に対象物４０を配置しない状況において、第１の光子の検出タイミングと第３の光子の検出タイミングの差（検出誤差）は、０．２３ｎｓ程度に抑えられており、２つの光子の高い同時性が実現していることが分かる。なお、図７に示した検出誤差は、主として第１の検出部５０及び第２の検出部６０の時間分解能に起因しており、光源１０では、図８に示した同時性よりも高い同時性が実現されている。
【0081】
図９は、対象物４０として、蛍光分子である色素分子（Rhodamine 6G）を用いた場合に、発光寿命特定部７５２が特定する蛍光減衰曲線を示している。図９に示す蛍光減衰曲線は、光子対毎に時間差特定部７５１が特定した時間差を、発光寿命特定部７５２が多数の光子対に対してプロットして得られたグラフである。図９に示す例では、発光寿命特定部７５２は、対象物４０の蛍光寿命が４．８ｎｓであると特定する。
【0082】
本実施形態に係る発光分析装置１００によれば、対象物４０へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物４０の発光現象に関する特性を好適に分析することができる。
【0083】
なお、上述の例では、対象物４０として、分子を例に挙げたが、これは本実施形態を限定するものではなく、対象物４０は、原子、分子、固体、及び結晶の少なくとも何れかを含み得る。
【0084】
このような対象物に対しても、発光分析装置１００によれば、対象物４０へのダメージを最小限に抑えつつ、対象物４０の発光現象に関する特性を好適に分析することができる。
【0085】
〔実施形態３〕
以下では、本発明の第３の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
以下では、本発明の第３の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【0086】
図１０は、拡散光トモグラフィー装置２００の構成例を示したものである。図１０に示すように、拡散光トモグラフィー装置２００は、分析装置１ｂを備えている。分析装置１ｂは、実施形態１において説明した分析装置１が備える演算部７５に代えて、演算部７５ｂを備えている。分析装置１ｂのその他の構成は、実施形態１に係る分析装置１と同様である。
【0087】
拡散光トモグラフィー装置２００は、透過性を有する対象物４０の断層画像を生成する装置である。本実施形態において対象物４０は、透過性を有する物質であるが、対象物４０は可視光を透過する物質に限られるものではなく、遠紫外線及び遠赤外線領域を透過する物質も、対象物４０に含まれる。
【0088】
本実施形態では、第２の光子を対象物に入射させ、第１の光子をリファレンスとして用いる。本実施形態に係る第３の光子は、第２の光子が対象物中で繰り返し散乱した結果得られた光子である。第３の光子は、対象物中で繰り返しの散乱過程を経た光子であるとも言える。
【0089】
図１１は、拡散光トモグラフィー装置２００の分析装置１ｂが備える演算部７５ｂの構成を示したものである。演算部７５ｂは、時間差特定部７５１及びトモグラフィー分析部７５３を備えている。トモグラフィー分析部７５３は、時間差特定部７５１が特定した第１の光子の検出タイミングと第３の光子の検出タイミングとを参照し、光子が対象物４０中でどのように散乱されたかに関する情報を取得する。そして、トモグラフィー分析部７５３は、取得した情報を解析することにより、対象物４０中の物質の空間分布を特定する。そして、一例として、特定した空間分布を示す対象物の断層画像を生成する。
【0090】
【0091】
拡散光トモグラフィー装置２００は、対象物へのダメージを押さえつつ、好適に拡散光トモグラフィーを実行することができる。また、従来技術のようにパルス光を発生させる装置が必要ないため、拡散光トモグラフィー装置の構成がシンプルになるというメリットもある。
【0092】
〔実施形態４〕
以下では、本発明の第４の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
以下では、本発明の第４の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【0093】
図１２は、撮像装置３００の構成例を示したものである。図１２に示すように、撮像装置３００は、分析装置１ｃを備えている。分析装置１ｃは、実施形態１において説明した分析装置１が備える演算部７５に代えて、演算部７５ｃを備えている。分析装置１ｃのその他の構成は、実施形態１に係る分析装置１と同様である。
【0094】
撮像装置３００は、反射性を有する対象物４０を含む撮像範囲の撮像情報を生成する装置である。
【0095】
本実施形態では、第２の光子を対象物に向かって出射し、第１の光子をリファレンスとして用いる。本実施形態に係る第３の光子は、第２の光子が対象物によって反射されることによって得られた光子である。
【0096】
図１３は、撮像装置３００の分析装置１ｃが備える演算部７５ｃの構成を示したものである。演算部７５ｃは、時間差特定部７５１及び画像生成部７５４を備えている。画像生成部７５４は、時間差特定部７５１が特定した第１の光子の検出タイミングと第３の光子の検出タイミングとを参照し、対象物４０の特性として、当該対象物４０までの距離を特定する。そして、特性した距離に基づき、対象物４０を含む撮像範囲の撮像情報であって、対象物４０までの距離情報を含む撮像情報を生成する。
【0097】
【0098】
従来、Lidar（Ｌｉｇｈｔ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）と呼ばれる技術では、パルス光を用いてレーザー照射に対する散乱光を測定し、対象までの距離、対象の性質などを分析していたが、本実施形態では、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を用いて、距離情報を含む撮像情報を生成するので、対象物へのダメージを低減しつつ、対象までの距離、対象の性質などを分析することができる。
【0099】
なお、画像生成部７５４が生成する撮像情報は、一例として、距離情報と２次元の撮像画像とすることができるが、これは本実施形態を限定するものではない。画像生成部７５４は、距離情報と２次元の撮像画像とを参照して、立体視用の左目用画像及び右目用画像を生成する構成としてもよい。
【0100】
本実施形態では、互いに量子もつれ状態にある複数の単一光子を用いて、立体視用の画像を生成するので、対象物へのダメージを低減しつつ、好適に立体視用の画像を生成することができる。また、従来技術のようにパルス光を発生させる装置が必要ないため、撮像装置の構成がシンプルになるというメリットもある。
【0101】
〔実施形態５〕
以下では、本発明の第５の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
以下では、本発明の第５の実施形態について説明する。上述の実施形態において既に説明した構成については同じ符号を付し、その説明を省略する。
【0102】
図１４は、反射率測定装置４００の構成例を示したものである。図１４に示すように、反射率測定装置４００は、分析装置１ｄを備えている。分析装置１ｄは、実施形態１において説明した分析装置１が備える演算部７５に代えて、演算部７５ｄを備えている。分析装置１ｄのその他の構成は、実施形態１に係る分析装置１と同様である。
【0103】
反射率測定装置４００は、反射性を有する対象物４０の特性を分析する装置である。
ここで、対象物４０は、一例として光ファイバーである。
ここで、対象物４０は、一例として光ファイバーである。
【0104】
本実施形態では、第２の光子を対象物に入射させ、第１の光子をリファレンスとして用いる。本実施形態に係る第３の光子は、第２の光子が対象物を透過又は反射することによって得られた光子である。第３の光子には、第２の光子が対象物に入射することによって得られた後方散乱光も含まれ得る。
【0105】
図１５は、反射率測定装置４００の分析装置１ｄが備える演算部７５ｄの構成を示したものである。演算部７５ｄは、時間差特定部７５１及び反射率測定部７５５を備えている。反射率測定部７５５は、時間差特定部７５１が特定した第１の光子の検出タイミングと第３の光子の検出タイミングとを参照し、対象物４０の反射性を検出する。
【0106】
【0107】
従来、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）と呼ばれる技術では、パルス光を用いて、後方散乱光などにより光ファイバーを品質管理していたが、本実施形態では、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を用いて、品質管理するので、対象物へのダメージを、パルス光を用いるよりも、低減することができる。また、従来技術のようにパルス光を発生させる装置が必要ないため、反射率測定装置の構成がシンプルになるというメリットもある。
【0108】
＜他の適用例＞
本明細書において上述した分析装置の適用例は、上記の例に限られるものではない。一例として、上述した分析装置をポンプ-プローブ法に適用してもよい。より具体的には、第１の光子を用いて対象物４０を励起させ、第２の光子をプローブ光として用いて対象物を観測する構成としてもよい。
本明細書において上述した分析装置の適用例は、上記の例に限られるものではない。一例として、上述した分析装置をポンプ-プローブ法に適用してもよい。より具体的には、第１の光子を用いて対象物４０を励起させ、第２の光子をプローブ光として用いて対象物を観測する構成としてもよい。
【0109】
連続光を光源としてポンプ‐プローブ測定を行うことは、従来不可能であったが、上述した分析装置を用いれば、連続光を、もつれ状態にある光子対に変換することにより、連続光を光源としたポンプ‐プローブ測定が可能になる。
【0110】
より具体的な例として、本例に係る分析装置は、第１の光子を、分子である対象物４０に照射し、光化学反応を開始させる。そして、微小な遅延時間（フェムト秒、ピコ秒程度）を経た後に、第２の光子をプローブ光として当該対象物４０に照射する。これにより、本例に係る分析装置は、分子吸収（赤外光、可視光、紫外光領域）やラマン散乱を測定することができる。本例に係る分析装置によれば、このようにして、化学反応が進行する様子をフェムト秒、ピコ秒程度の時間分解能で追跡することができる。
【0111】
また、他の例として、上述した分析装置をポンプ-ダンプ-プローブ法に適用してもよい。
ここで、ポンプ-ダンプ-プローブ法に用いる互いに量子もつれ状態にある３つの光子は、例えば、以下の方法により得ることができる。
すなわち、分析装置が２つの非線形光学結晶を備える構成とし、まず、第１の非線形光学結晶に対して連続光を入射させＳＰＤＣにより、互いに量子もつれ状態にある２つの光子（光子１、光子２と呼ぶ）を発生させる。そして、これら２つの光子のうち一方（例えば光子１）を第２の非線形光学結晶に照射し、当該第２の非線形光学結晶におけるＳＰＤＣにより２つの光子（光子３、光子４と呼ぶ）へと変換する。
このようにして得られた３つの光子（光子２、光子３、光子４）は互いに量子もつれ状態にあり、時間的に同期されている。
本例に係る分析装置は、一例として、まず、互いに量子もつれ状態にある３つの光子のうち第１の光子を、分子である対象物４０に照射することにより、対象物４０を励起させる。一般に、高い電子励起状態にある分子は、基底状態とは異なる平衡核間距離を有するので、核波束が運動量を付与され移動を開始する。その後、本例に係る分析装置は、上記３つの光子のうち第２の光子を対象物４０に照射することによって、波束を基底状態にダンプさせる。その後、本例に係る分析装置は、上記３つの光子のうち第３の光子をプローブ光として対象物４０に照射する。
本例に係る分析装置は、上記のようにポンプ-ダンプ-プローブ法を実行することによって、例えば、分子である対象物４０の脱励起効率や、当該脱励起効率のダンプ光照射タイミング依存性を特定することができる。
連続光を光源としてポンプ‐ダンプ-プローブ測定を行うことは、従来不可能であったが、上述した分析装置を用いれば、もつれ状態にある３つの光子に変換することにより、連続光を光源としたポンプ‐ダンプ-プローブ測定が可能になる。
ここで、ポンプ-ダンプ-プローブ法に用いる互いに量子もつれ状態にある３つの光子は、例えば、以下の方法により得ることができる。
すなわち、分析装置が２つの非線形光学結晶を備える構成とし、まず、第１の非線形光学結晶に対して連続光を入射させＳＰＤＣにより、互いに量子もつれ状態にある２つの光子（光子１、光子２と呼ぶ）を発生させる。そして、これら２つの光子のうち一方（例えば光子１）を第２の非線形光学結晶に照射し、当該第２の非線形光学結晶におけるＳＰＤＣにより２つの光子（光子３、光子４と呼ぶ）へと変換する。
このようにして得られた３つの光子（光子２、光子３、光子４）は互いに量子もつれ状態にあり、時間的に同期されている。
本例に係る分析装置は、一例として、まず、互いに量子もつれ状態にある３つの光子のうち第１の光子を、分子である対象物４０に照射することにより、対象物４０を励起させる。一般に、高い電子励起状態にある分子は、基底状態とは異なる平衡核間距離を有するので、核波束が運動量を付与され移動を開始する。その後、本例に係る分析装置は、上記３つの光子のうち第２の光子を対象物４０に照射することによって、波束を基底状態にダンプさせる。その後、本例に係る分析装置は、上記３つの光子のうち第３の光子をプローブ光として対象物４０に照射する。
本例に係る分析装置は、上記のようにポンプ-ダンプ-プローブ法を実行することによって、例えば、分子である対象物４０の脱励起効率や、当該脱励起効率のダンプ光照射タイミング依存性を特定することができる。
連続光を光源としてポンプ‐ダンプ-プローブ測定を行うことは、従来不可能であったが、上述した分析装置を用いれば、もつれ状態にある３つの光子に変換することにより、連続光を光源としたポンプ‐ダンプ-プローブ測定が可能になる。
【0112】
〔ソフトウェアによる実現例〕
分析装置１の制御ブロック（特に分析部７０、演算部７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。
分析装置１の制御ブロック（特に分析部７０、演算部７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ）は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ソフトウェアによって実現してもよい。
【0113】
後者の場合、分析装置１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するコンピュータを備えている。このコンピュータは、例えば１つ以上のプロセッサを備えていると共に、上記プログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記録媒体を備えている。そして、上記コンピュータにおいて、上記プロセッサが上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記プロセッサとしては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いることができる。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の他、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などをさらに備えていてもよい。また、上記プログラムは、当該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明の一態様は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【0114】
〔まとめ〕
本発明の一態様に係る分析方法は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成ステップと、前記複数の光子のうち第１の光子を検出する第１の検出ステップと、前記複数の光子のうち第２の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する第２の検出ステップと、前記第１の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第２の検出ステップにおける検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析ステップとを含んでいる。
本発明の一態様に係る分析方法は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成ステップと、前記複数の光子のうち第１の光子を検出する第１の検出ステップと、前記複数の光子のうち第２の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する第２の検出ステップと、前記第１の検出ステップにおける検出タイミングと、前記第２の検出ステップにおける検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析ステップとを含んでいる。
【0115】
上記分析方法によれば、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することができる。
【0116】
上記分析方法において、前記分析ステップでは、前記第１の光子の検出タイミングを、前記対象物に関する特性の分析のレファレンスとして用いることが好ましい。
【0117】
上記分析方法によれば、第１の光子の検出タイミングを、前記対象物に関する特性の分析のレファレンスとして用いるので、時間的な特性を含む対象物の特性をより好適に分析することができる。
【0118】
上記分析方法において、前記生成ステップでは、非線形光学結晶を用いて前記第１の光子及び前記第２の光子を生成することが好ましい。
【0119】
上記分析方法によれば、シンプルな構成により、対象物の特性を検出することができる。
【0120】
上記分析方法は、前記第１の検出ステップ及び前記第２の検出ステップでは、単一光子検出器を用いて前記第１の光子及び前記第３の光子を検出することが好ましい。
【0121】
上記分析方法によれば、単一光子検出器を用いて前記第１の光子及び前記第３の光子を検出するので、時間的な特性を含む対象物の特性を好適に検出することができる。
【0122】
本発明の一態様に係る発光分析装置は、上記分析方法を実行する発光分析装置であって、前記第２の検出ステップにおいて、前記対象物の発光現象に伴う光子を前記第３の光子として検出することが好ましい。
【0123】
上記発光分析装置によれば、対象物の発光現象の特性を好適に分析することができる。
【0124】
上記分析方法を実行する発光分析装置において、前記対象物は原子、分子、固体、及び結晶の少なくとも何れかを含むことが好ましい。
【0125】
上記発光分析装置によれば、原子、分子、固体、及び結晶の発光現象の特性を好適に分析することができる。
【0126】
本発明の一態様に係る拡散光トモグラフィー装置は、上記分析方法を実行する拡散光トモグラフィー装置であって、前記第２の検出ステップにおいて、前記対象物を透過した透過光を前記第３の光子として検出することが好ましい。
【0127】
上記拡散光トモグラフィー装置によれば、前記対象物を透過した透過光を前記第３の光子として検出するので、拡散光トモグラフィーを好適に実行することができる。
【0128】
本発明の一態様に係る撮像装置は、上記分析方法を実行する撮像装置であって、前記第２の検出ステップにおいて、前記対象物によって反射された反射光を前記第３の光子として検出することが好ましい。
【0129】
上記撮像装置によれば、対象物によって反射された反射光を前記第３の光子として検出するので、対象物の時間的な特性が反映された撮像情報を好適に生成することができる。
【0130】
本発明の一態様に係る反射率測定装置は、上記分析方法を実行する反射率測定装置であって、前記第２の検出ステップにおいて、前記対象物である光ファイバーからの出射光を前記第３の光子として検出することが好ましい。
【0131】
上記反射率測定装置によれば、光ファイバーからの出射光を前記第３の光子として検出するので、反射率測定を好適に実行することができる。
【0132】
本発明の一態様に係る分析装置は、互いに量子もつれ状態にある複数の光子を生成する生成部と、前記複数の光子のうち第１の光子を検出する第１の検出部と、前記複数の光子のうち第２の光子を対象物に照射又は入射させることによって得られる第３の光子を検出する第２の検出部と、前記第１の検出部による検出タイミングと、前記第２の検出部による検出タイミングとの差を参照して、前記対象物に関する特性を分析する分析部とを備えている、ことが好ましい。
【0133】
上記分析装置によれば、対象物へのダメージを低減させつつ、時間的な特性を含む対象物の特性を分析することができる。
【0134】
本発明の一態様に係るプログラムは、上記分析装置としてコンピュータを機能させるためのプログラムであって、上記分析部としてコンピュータを機能させる、ことが好ましい。上記プログラムによれば、上記方法及び装置と同様の効果を奏する。
【0135】
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【0136】
１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 分析装置
１０ 光源
１１ 連続光源
１２ 光源用レンズ
１３ 結晶性物質
４０ 対象物
５０ 第１の検出部
６０ 第２の検出部
７０ 分析部
７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ 演算部
１００ 発光分析装置
２００ 拡散光トモグラフィー装置
３００ 撮像装置
４００ 反射率測定装置
７５１ 時間差特定部
７５２ 発光寿命特定部
７５３ トモグラフィー分析部
７５４ 画像生成部
７５５ 反射率測定部
１０ 光源
１１ 連続光源
１２ 光源用レンズ
１３ 結晶性物質
４０ 対象物
５０ 第１の検出部
６０ 第２の検出部
７０ 分析部
７５、７５ａ、７５ｂ、７５ｃ、７５ｄ 演算部
１００ 発光分析装置
２００ 拡散光トモグラフィー装置
３００ 撮像装置
４００ 反射率測定装置
７５１ 時間差特定部
７５２ 発光寿命特定部
７５３ トモグラフィー分析部
７５４ 画像生成部
７５５ 反射率測定部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】