国立产业技术综合研究所［中钵良二会长］（以下简称“AIST”）物理测量标准研究部[研究部部长 Yasuhiro Nakamura] 量子光学测量研究组组长福田大二、首席研究员丹羽一树，即使在传统光学显微镜无法观察到的极弱光线下也能观察到清晰的彩色图像。光子显微镜”。
通常，在观察彩色样品时，使用光学显微镜代替电子显微镜，电子显微镜只能获得黑白图像。光学显微镜用透镜聚焦来自样品的光CMOS 摄像头然而，如果样品发出的光极弱并且低于光电探测器的检测极限，则无法观察到。
AIST 利用超导现象超导光学传感器的开发，到目前为止已经创造了一种光学传感器，可以逐个检测光子（光的最小单位），并且还可以识别光子的波长（与颜色有关）。现在，通过使用这种超导光学传感器作为显微镜中的光电探测器，我们开发了“光子显微镜”，大大超出了传统光学显微镜的检测极限，并在世界上首次成功地利用仅几个光子的极弱光捕获彩色图像。
新开发的显微镜预计将用于医疗/生物和半导体领域的研究和产品开发，例如活细胞微弱发光的观察和微量化学物质的荧光分析。
该技术的详细内容可以参见2017年4月4日英国科学杂志（英国时间）科学报告 (自然出版集团)。
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| 已开发的光子显微镜（原型）的整体照片 |
光学显微镜和电子显微镜是广泛使用的重要观察设备，可以放大和可视化微小物体。虽然电子显微镜可以观察微小的样品，但图像通常是黑白的，因此光学显微镜通常用于彩色观察。在光学显微镜中，通常用光照射待观察的样品，反射光、透射光或荧光或冷光用镜头聚焦并用光电探测器（例如 CMOS 相机）将其拍摄为图像。然而，如果样品发出的光极弱并且低于光电探测器的检测灵敏度，则图像会变暗且不清晰。因此，需要一种即使在弱光下也能进行颜色观察的高灵敏度光学显微镜。
产业技术研究院开发了从单光子级的极弱光到kW级的强激光的光强度精密测量技术，并将其确立为国家标准。特别是光子是光的最小单位，是重要的测量目标，我们一直在研究利用超导现象进行高精度检测的新型光电检测技术。迄今为止，我们已经创建了一种超导光学传感器，可以以世界上最高的效率探测光子。此外，通过使用这种超导光学传感器，我们将最大限度地发挥光的量子特性，并将通信容量比传统方法提高1000倍以上。量子信息通信提出可能的应用，例如10912_10932|2014 年 4 月 4 日 AIST 新闻稿)，我们一直致力于扩大这种超导光学传感器的应用范围和用途。
光的最小单位是光子，它具有无法进一步分割的最小能量。这样，光子既具有粒子的性质，又具有波动的性质，因此也具有独特的波长。爱因斯坦的光量子理论中，光子的能量与其波长之间存在相关性，因此如果测量光子的能量，也可以确定其波长。 AIST开发的超导光学传感器由超导薄膜和介电多层膜制成的光电探测器组成，以限制光线。当光子进入保持极低温度的光电探测器时，光子的能量暂时打破超导状态并改变电阻。由于可以根据电阻变化的大小确定光子的能量，因此可以识别光子的波长。
我们现在开发了一种光子显微镜，使用这种超导光学传感器作为光学显微镜的光电探测器（图1）。首先，透镜系统将来自待观察样品位置的极弱光聚焦，然后使用光纤将光子引导至冰箱内的超导光学传感器。超导光学传感器在冰箱中保持在 100 mK 的温度。超导光学传感器逐一分离和检测到达的光子并测量其能量，并根据一定时间内到达的光子数量和每个光子的能量（波长）来识别测量位置处样本的颜色。通过扫描样本并在每个位置重复测量，可以构建彩色图像。
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| 图1光子显微镜示意图 |
为了展示光子显微镜的性能，用极弱的光照射彩色打印的测试图案，使用彩色CMOS相机和新开发的光子显微镜对反射光进行拍照和比较。当样品反射光的光强度较弱时，使用光学显微镜很难区分颜色（图2（a）），但使用光子显微镜，即使在相同的光强度下也可以以清晰的对比度区分红色、黄色和蓝色（图2（b））。在本次测量中，每个测量点的光子数平均约为20个（曝光时间50 ms），即016fW（飞瓦）的极弱光强度。这是世界上首次在如此极弱的光线下获得清晰的彩色图像。
图2（b）中，图像仅由波长为400 nm至700 nm的可见光范围内的光子构建，但这次光子显微镜中使用的超导光学传感器可以识别各种波长的光子，包括波长为200 nm至2 µm的紫外光和红外光，并且还可以进行光谱测量。光的反射和吸收的波长以及发射和荧光的波长根据材料的不同而不同，但这种光子显微镜可以在较宽的波长范围内检测光子，可以根据其特征波长识别来自各种材料的光子，因此有望以高灵敏度同时观察多种材料。
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| 图 2 使用 (a) 光学显微镜（彩色 CMOS 相机）和 (b) 新开发的光子显微镜拍摄的图像 |
这次我们观察了反射光的光子，但将来我们计划观察活细胞发出的光和化学物质发出的荧光等，以进一步证明我们开发的光子显微镜的有效性。此外，我们将继续通过提高超导光学传感器的灵敏度来改进光子显微镜，并且我们还将致力于开发通过增加超导光学传感器中的元件数量来捕获样品中极弱的发光和荧光的彩色视频的技术。