「影」から位相を読む――千葉大・東北大、テラヘルツ画像の新手法

影は、光が遮られた場所だと考えられてきた。今回の研究では、その影が情報源になる。物体を通ったテラヘルツ波を特殊な渦状の位相フィルターに通すと、輪郭の周囲に方向性を持つ明暗が現れる。その偏りを逆にたどれば、通常の強度画像からは失われたはずの位相、すなわち波がどれだけ進み、どれだけ遅れたかを推定できる。

千葉大学大学院融合理工学府の三上修作氏、同大学大学院工学研究院の宮本克彦教授、東北大学大学院理学研究科の大野誠吾助教、バルセロナ自治大学のAdam Vallés助教らによる国際研究チームは、この手法をテラヘルツ領域で実験的に示した。論文「Terahertz phase-sensitive imaging via spiral-phase filtering and single-pixel detection」は2026年9月2日、査読誌『Optics Express』に掲載された。

電波と光の間にある「見えにくい光」

テラヘルツ波は、周波数でいえばおおむね電波と赤外線の間に位置する電磁波である。紙、樹脂、布、セラミックスなど、可視光では不透明な非金属材料を透過し得る一方、分子や結晶の運動に由来する特徴的な応答を拾える。電離放射線ではないためX線と同じ原理ではなく、金属や水に強く遮られるという固有の制約もある。

魅力は、単に「透けて見える」ことではない。波がどれほど弱まったかという強度と、試料を通る間にどれほど遅れたかという位相を組み合わせると、厚さ、屈折率、内部境界などをより豊かに推定できる。透明な板の厚さ違いのように、吸収差が小さく強度像では目立たない対象でも、位相には差が残ることがある。

ただし位相は、一般的な強度検出器が直接記録する量ではない。従来はテラヘルツ時間領域分光法（THz-TDS）で波形の時間変化を測るか、干渉計で参照波と比較する方法が有力だった。どちらも強力だが、光路の安定性、同期、走査、装置規模が実装の壁になり得る。今回の問いは単純で大胆だった。位相そのものを正面から測らず、位相が残した「影」だけを見て取り戻せないか。

実験を四つの動作にほどく

第一に、研究チームは単色性の高い周波数可変テラヘルツ光源を用いた。第二に、試料を通過した波をレンズでフーリエ変換し、空間周波数成分が並ぶ面へ導く。ここが4f光学系の中央、いわゆるフーリエ面である。

第三に、その面へスパイラル位相フィルターを置く。フィルターは波面に方位角に応じた位相のねじれを与え、光渦をつくる。画像へ戻すと、物体の輪郭が強調され、起伏を斜めから照らしたような明暗――シャドウ効果――が現れる。重要なのは、その明暗の向きと形が入射波の初期位相に敏感なことだ。

第四に、二次元のテラヘルツカメラではなく、単一画素検出を組み合わせる。既知の空間パターンを順次与え、それぞれに対する総信号を一点の検出器で測り、計算によって画像を再構成する。普通のカメラが多数の画素で空間を一度に分けるのに対し、単一画素方式は測定の順序と計算がその役割を担う。

なぜ影の向きが位相を語るのか

スパイラル位相フィルターは、単なる輪郭強調器ではない。研究チームは光渦のねじれの向きを反転させると、輪郭付近の明暗パターンも反転することを確認した。また、スパイラル位相板を回転させると、それに応じて強調方向と得られる位相分布が変わった。この制御された変化が、影と位相の対応を解く鍵になる。

一枚の影だけから、任意の複雑な物体の絶対位相が無条件に決まるわけではない。研究の核は、異なるフィルター条件で得た位相感度のある強度情報を数理的に組み合わせ、空間位相分布へ戻した点にある。報道発表の「強度画像のみ」は、検出器が測る最終量が強度だという意味であり、光学的な符号化も計算的な復元も不要という意味ではない。

この区別は重要だ。普通の写真に同じアルゴリズムを後から適用すれば位相が復元できる、という話ではない。試料を通った波にスパイラル位相フィルタリングを施し、位相依存のシャドウ像を意図的につくったからこそ、逆問題を解く手掛かりが残る。

2005年の顕微鏡から、2026年のテラヘルツへ

技術の系譜は可視光顕微鏡にさかのぼる。2005年、Medical University of Innsbruckの研究者らは『Physical Review Letters』で、フーリエ面のスパイラル位相要素が試料の縁を強調し、中心部の位相を制御すると回転可能な「影」が生まれることを報告した。頬粘膜細胞の低コントラスト試料を、起伏のあるレリーフのように見せた研究である。

2008年には圧縮センシングを使う単一画素テラヘルツカメラが報告され、二次元検出器アレイを使わずに画像を組み立てる道が示された。2020年には可視光系で単一画素検出とスパイラル位相コントラストを結びつけ、振幅物体と位相物体の縁を検出する研究が発表された。

今回の論文は、研究チームの説明によれば、シャドウ効果の位相感度をテラヘルツ領域で活用し、強度像から空間位相分布の再構成まで実証した点が新しい。2024～2025年には同グループが国内学会でテラヘルツ分光シングルピクセル装置やエッジ強調を報告しており、2026年の成果は継続した装置開発の上にある。

単一画素という逆説

一画素で画像を撮る、という表現は矛盾して聞こえる。実際には、検出器の前で空間情報を符号化する。既知のパターンで照射条件を変え、その都度得られる一つの数値を蓄積する。どのパターンを使ったかは分かっているので、連立方程式を解くように元の分布を推定できる。

テラヘルツ帯では、この計算撮像が魅力を持つ。可視光のシリコン撮像素子ほど、安価で高感度な大面積アレイが成熟していないからだ。一点検出器なら高い感度を得やすく、検出側の構成を抑えられる可能性がある。さらにスパイラルフィルターを加えれば、単なる振幅像ではなく、位相に敏感な測定へ進める。

代償もある。多数のパターンを順に測る方式は動く対象に弱く、取得時間と空間解像度、信号対雑音比の間に交換条件を抱える。圧縮センシング、高速変調器、強い光源、効率的な再構成は時間を短縮し得るが、今回の公表資料だけでは実用場面での撮像速度や検出限界は判断できない。

非破壊検査と生体計測――可能性と物理的な壁

応用の第一候補は、非金属材料の内部検査である。樹脂部品、複合材、コーティング、接着層、半導体パッケージ、紙製品などでは、位相遅れが厚さや屈折率の小さな差を反映する可能性がある。強度だけでは同じに見える領域を区別できれば、空隙、剥離、層構造の評価に新しいコントラストを加えられる。

材料分析では周波数を変えながら測ることで、単一周波数の形状像から分光情報を持つ画像へ拡張できる余地がある。ただし論文が示したのは位相再構成の原理であり、特定の工場部品について欠陥検出率、誤警報率、検査時間、耐振動性を検証したわけではない。

生体計測はさらに慎重に語る必要がある。テラヘルツ波は水に強く吸収されるため、水分の多い組織の深部透過には根本的な制約がある。一方、その水分感度は表面近傍や薄い試料ではコントラスト源になり得る。研究チームは生体計測への展開を挙げているが、今回の研究は患者を対象とせず、疾患診断の精度、安全性、臨床上の有用性を評価していない。「医療応用の可能性」と「医療機器の実証」は別の段階である。

論文がまだ答えていないこと

また、「テラヘルツ領域で初めて」という表現は、千葉大学と東北大学の発表が、スパイラル位相フィルタリングによるシャドウ効果の位相感度を同領域で利用した例について述べたものだ。本稿は全世界の先行研究を網羅して独立認定したわけではないため、研究チームの位置づけとして扱う。

論文には三上氏のほか、小田切雄介氏、先崎航氏、Vallés氏、大野助教、宮本教授が著者として記載される。研究は日本学術振興会の科研費（JP23K23248、JP24KK0108、JP22K18979、JP23K04567）と、科学技術振興機構の創発的研究支援事業（FOREST、JPMJFR2036）などの支援を受けた。公表資料に企業スポンサーや臨床試験は記載されていない。

「複雑さをなくす」のではなく、移し替える

この研究が示した最も興味深い設計思想は、計測の複雑さをゼロにするのではなく、置き場所を変えることだ。参照波と物体波を重ねて位相を直接読む干渉計の仕事を、スパイラル位相フィルターによる光学的符号化と、複数の強度像を統合する計算へ移す。調整が難しい要素を減らせる可能性がある一方、新たな校正と再構成の責任が生まれる。

次の段階では、既知の標準試料による定量評価、複雑な実材料での盲検試験、高速化、反射配置への対応、小型化が焦点になる。透過配置が難しい大型部品や人体では、片側から照射・受信する反射型が重要になる。位相の折り返し、散乱、多重反射をどう解くかも避けられない。

それでも、「強度検出器には位相が見えない」という古い制約に対し、影を情報へ変える答えは鮮やかだ。物体の縁に落ちた明暗は、欠けたデータの残骸ではない。波面に適切なねじれを与えれば、位相が自ら残した署名になる。テラヘルツ画像を実験室から現場へ近づけるかどうかは、これからの速度、精度、頑健性の検証にかかっている。