ここにもフォトニクス

ハワイ島標高4205 mのマウナケア山頂にある「すばる望遠鏡」は、世界最高峰の観測性能をもつ大型光学赤外線望遠鏡です。主力装置である超広視野主焦点カメラには、CCDエリアイメージセンサが搭載されています。従来のカメラでは観測が不可能だった暗い天体を広範囲かつ高解像度で観測し、未知の物質であるダークマター・ダークエネルギーの正体や、宇宙膨張の歴史の解明に取り組んでいます。

光を使った計測技術「LiDAR（ライダー）」は、周囲の車や歩行者、建物など、周囲との距離、形状、位置関係を高精度に把握できます。この技術を使って、自動車自体が周囲の状況を把握し、的確な指示・警告をすることによって、安全運転を支援しています。

目の病気は、進行が進んでも自覚しにくいため、検査による早期発見がとても重要です。
目の病気を早く見つける手法としてOCT（Optical Coherence Tomography）があります。近赤外光を目に照射し、反射して戻る散乱光を参照光と合波することで、診断に必要な断層画像が取得できます。

都市上空部でドローンを飛行させるためには、風況の予測が必須です。「LiDAR」技術は、風の向きや風速もリアルタイムで計測可能です。
将来的には「空飛ぶクルマ」が実現するかもしれません。

従来の計算速度限界を超越すると言われる、量子コンピュータを実現する1つの方式として光でイオン・中性原子を制御して並べて量子ビットにする方式が期待を集めています。また、量子ビットの計算結果を見るために超高感度の光センサ・カメラが利用されます。

人がモノを見るとき、そのモノの形状に応じた奥行をもった表面上の点からの光をみることになります。光を自在に出射するとても小さなレーザを用いて、モノがあるはずの場所に輝点を作ることができれば、自然な立体像の再現が可能であると考えられています。

あらゆる物質に質量を与えることから、神の粒子といわれるヒッグス粒子。半世紀の間理論上の存在でしたが、CERN（欧州原子核研究機構）は世界最大の粒子加速器「大型ハドロン衝突型加速器」で実験を行い、2013年にその存在を確認しました。その検出器には、浜松ホトニクス製のシリコンストリップディテクタ（SSD）やアバランシェフォトダイオード（APD）、光電子増倍管（PMT）が使われています。

太陽の活動による地球を取り巻く宇宙環境の変化のことを、地球の天気になぞらえて「宇宙天気」と呼んでいます。宇宙天気予報では、太陽の活動とオーロラを観測するのに特殊な科学計測用カメラが使われます。

太陽の活動が活発になり、太陽の表面で爆発（太陽フレア）が発生すると、太陽から地球に向けて電気を帯びた粒子「太陽風」が放出されます。太陽風を直接浴びると細胞が死んでしまうなど、生命に重大な悪影響があるほか、GPSシステムやテレビの衛星中継などの通信障害など社会システムへの影響もあります。宇宙天気予報は、これらの悪影響を事前に予測することに役立てられます。

「LiDAR（ライダー）」は、障害物や人など、周囲との距離を計測することができる技術です。そのため、LiDARを搭載した搬送ロボットは自動走行が可能となり、配送の省人化・省力化に貢献します。​

小惑星を調べることで、地球の水がどこから来たのか、生命を構成する有機物はどこでできたのか、それらの謎に迫ることができると期待されています。
2003年、JAXAによって打ち上げられた小惑星探査機「はやぶさ」はさまざまなトラブルを乗り越え、小惑星イトカワで採取した微粒子とともに2010年に地球に帰還しました。
2014年には後継機の「はやぶさ2」が打ち上げられ、2020年に小惑星リュウグウの含水鉱物を地球に届けるサンプルリターンに成功しました。
小惑星の地表の水分を離れた位置から計測したり、持ち帰ったサンプルを分析したりするため、X線や近赤外線などの光を用いた分光器や科学計測用のカメラが使われました。

近年、浴室や病室など、プライバシーが気になる場所でも「見守り」の需要が増えています。人・物の動作を検出できる、大画素かつ少画素数のセンサを使用することで、プライバシーに配慮した「見守り」が可能です。

従来の水性インキ印刷は熱によりインキを機材に定着させるため、環境の観点でさまざまな課題を抱えています。
それに対し、光硬化型印刷と呼ばれるUV印刷は、低消費電力であり、CO₂の排出を抑制し、また速乾性や密着性に優れているため、環境に配慮した印刷が可能です。

光通信による正確な産業用ロボットの制御によって、モノづくりの高速化・高精度化・高クリーン化が実現できます。

プラスチック資源のリサイクルを行うためには、プラスチックの種類やプラスチック以外の異物（金属など）を瞬時に見分ける必要があります。資源となる素材は、照射する光の波長によって吸収率や反射率が違うため、その吸収率や反射率を測定することで、光による選別が可能です。

光を用いて、野菜の水分量や成分量、生育リズムなどのデータを得ることができます。
それらのデータをもとに、今その野菜がどのような状態にあって何を求めているか予測し、適切な管理をすることで、効率よく野菜を栽培できます。

光を使った分析技術を用いて土の中に含まれる成分を計測し、保水性や肥料との相性を評価できます。
その他にも有害物質の定性・定量分析によって、環境保護に向けた分析が可能です。

水質の確認は、安心安全な生活水を確保するためだけでなく、川、湖、海の環境保全に貢献します。光を用いて分析することで、水を汚す物質の種類の特定や、量を推定することができます。

海底の地形情報を取得するには、レーザ光によるスキャン計測が有効です。また、その情報を陸上に高速に伝えるために、光を用いた情報通信が使用されます。

人間の「考える」や「動く」といった行動は、脳内にある神経回路の計算処理の結果として生まれるといわれています。この神経回路をみるためには、とても小さな動きを捉えることのできる顕微鏡が必要です。
神経回路の構造や機能を把握することができれば、将来的には、認知症など脳に起因すると考えられる病気への理解が進み、治療法が確立できるかもしれません。

歯科診断に欠かせないX線レントゲン画像には光技術が応用されています。X線イメージセンサが口腔内・セファロ・CTなど、さまざまな方式の歯科X線撮影を実現します。
近年では、口腔内の病気が全身の病気に関係することが分かってきており、口腔内の健康の重要性がますます高まっています。

2023年に打ち上げられた日本で7機目のX線天文衛星「XRISM（クリズム）」は、宇宙からやってくるX線を上空550 kmから観測しています。
X線は可視光より1000～10000倍の高いエネルギーをもっているため、人間の目（可視光）では見ることのできない高温・高エネルギーの宇宙の姿を観測することができます。
高温ガスや天体が発するX線を詳しく調べることで、宇宙の構造がどのように進化するのか、物質やエネルギーがどのように宇宙空間に広がっていくのか解き明かします。

お掃除ロボットが障害物を検出する「目」として、フォトダイオード（受光センサ）が使われます。モーションセンサなど、人の動きの検知にも利用されています。

レーザ光を大気中に照射して、大気分子や浮遊物質などからの反射光や散乱光を光センサで検出することにより、地表の状態、大気中の粒子、雲の測定を行うLIDAR（ライダー）という技術があります。LIDARは大気の研究や気象学、地質学、地震学、リモートセンシングなどで利用されています。

がん細胞は、正常細胞に比べて、より多くのブドウ糖を取り込みます。そこでブドウ糖の性質によく似た薬を体内に注射し、その集積具合を撮影した画像から、がんの有無を調べます。広い範囲のがんの早期発見に有効です。また、脳内のブドウ糖集積画像から、アルツハイマー症など認知症の兆候をとらえることもできます。

家庭用の給湯器や暖房機器の安全管理に、炎から放射される光を検出する半導体光センサが使われています。また、炎からの紫外線成分を検知する光センサは公共施設や飲食店舗において火災報知器や放火監視センサ、バーナー燃焼監視装置などに使われています。

自動車のタッチパネルやオートライトの周囲光量/昼夜検知、MOSTネットワークの送受信、自動防眩ミラーの周囲光量検知などに、たくさんの光センサが使用されています。

カラー／近接センサは、スマートフォンなどにおいて、ディスプレイの画質調整、タッチパネル機能のオン／オフの制御、着信表示を実現します。顔が近づいた場合に検知して、タッチパネル機能をオフにして、液晶バックライトを消灯します。

X線を使うことで、物体を壊さずその内部を観察できることから、空港での危険物検査、生産ライン上での食品検査などに応用されています。ここでは、荷物やパッケージを開けることなく内部に隠された危険物や食品に混入した異物を調べることができます。生産ラインの内部観察は、食品以外でも広く用いられ、例えば電子部品の不良や欠陥を見つけることで、品質向上に役立っています。近年は、通常のX線撮影では判別しにくい、材質の違いも観察できる技術が開発されています。

原子力発電所や原子力研究機関だけでなく、国境や港、空港などで核物質の流出を防ぐために放射線監視装置が使われています。核物質から放出されるガンマ線やX線などの放射線をとらえるために必要なのが、光電子増倍管やシンチレータといった光技術。携帯型の監視装置やドアモニタといった装置に活用されています。

素粒子ニュートリノを観測して、宇宙の起源の謎に迫る実験が世界中で行われています。日本の岐阜県神岡町にある実験施設では大きな水槽に入れた水の原子核や電子と、ニュートリノが反応して出るチェレンコフ光を光電子増倍管という超高感度センサでとらえて観測します。カミオカンデ（1983年～1996年）では超新星爆発からのニュートリノの初観測に成功。スーパーカミオカンデ（1996年～）ではニュートリノの性質であるニュートリノ振動の発見という大きな功績を残し、関わった研究者らがノーベル物理学賞を受賞をしています。現在、建設が進むハイパーカミオカンデ（2027年稼働開始予定）ではCP対称性の破れ、陽子崩壊という現象をとらえることが期待されています。

ガンマ線やX線といった放射線を利用すると、油田の位置や大きさを調べることができます。油田開発の準備として試しに掘る穴、試掘抗は地下数千メートルと深く、地熱によって周辺温度は150～200℃の高温となります。また、衝撃や振動も加わる過酷な環境です。このような環境にも耐えられる光電子増倍管を使って放射線を検出しています。

半導体の製造・検査工程では、さまざまな光技術が使われています。赤外線を利用した半導体の内部検査や、LSIなど半導体デバイスの故障によって引き起こされる微弱な発光・発熱・電気的変化をとらえて画像化し、故障個所を特定する半導体故障解析装置があります。また、レーザを用いてウェハ内部を加工し、高品質にカット（分割）するステルスダイシングという技術もあります。  

粉体の包装や梱包、高速移動体（フィルム、印刷など）の製造に邪魔になる静電気を、微弱なX線を使用して取り除きます。この方式はフォトイオナイゼーションと呼ばれ、塵や電磁ノイズ、オゾンが発生しないクリーンな静電気除去ができます。

光を使って、医療用品、食料品、パッケージなどの表面洗浄や滅菌処理を行います。環境に優しく、ダメージや粉塵が生じないドライ処理ができるため、幅広い用途に対応する技術です。処理速度、品質、歩留まりの向上に貢献しています。

酸素不足による脳組織のダメージは身体的・精神的機能障害の原因とされ、救命救急現場や手術現場など医療現場では、脳内酸素の観察は最も重要な監視項目の一つとなっています。脳酸素モニタは、生体に安全なわずかな光（近赤外線）を照射し、深部組織の酸素や血液濃度などから、脳内の酸素状態を連続的に測定します。

新薬は、通常製薬会社で十数年におよぶ長い研究開発を経て生み出されます。その過程であるスクリーニングは、たくさんの化合物から薬の候補を探し出す作業で、効率的な新薬開発には欠かせない工程です。創薬スクリーニングシステムは、化合物による細胞の反応を測定し、薬の候補となる化合物を抽出するもので、一度に1500以上の反応測定を可能とし、新薬開発を強力にバックアップします。

レーザ光は、強度が強く指向性に優れ、波長と位相が重なった光の集まり（コヒーレンス）であるといった特性があるため、加工に適した光源といえます。
レーザマーキング、溶接、切断、穴あけ、ろう付け、焼き入れ、はんだ付け、樹脂溶着、さらには微細加工などさまざまな用途にレーザは用いられています。

次世代エネルギー源として研究されている核融合発電。プラスの電荷を持った原子核同士を衝突させてその莫大な反応エネルギーを取り出す研究が多くの研究機関で行われています。核融合に使われる原料は海水中に無尽蔵にあるばかりではなく、地球環境を乱すことのないクリーンで安全性の高いエネルギー源として多くの可能性を秘めています。レーザ核融合は核融合発電をレーザの光エネルギーによって起こそうとするもので、高出力・高効率な半導体レーザによって連続した核融合反応が可能になってきています。

自動ドアや自動改札、自動販売機やATM、自動車や携帯電話、さらには病気の診断や治療、環境状態の測定など... 私たちが暮らす世界の中のさまざまな道具（電子機器）には、光センサがキーデバイスとして搭載されています。光センサは光を電気信号に変えることで、物体の大きさ・長さ・位置・距離・形状・明るさ・色・温度・成分など、さまざまな情報を得ることができるようになります。光センサの応用範囲は拡大・多様化し続けています。光を利用したテクノロジーの研究開発（フォトニクス）があらゆる分野で盛んに行われており、「21世紀はフォトニクスの時代である」といわれています。