ケンブリッジ大学の研究チームは、研究成果をもとに設立されたスタートアップGlitterinTechと共同で、数センチ角・約10ドルという小型・低コストの光学分光器を開発した。実験室級の精度をウェアラブル機器に持ち込み、針を使わない血糖値モニタリングを可能にする可能性がある。成果は「Nature Photonics」に掲載された。
分光器は、光が物質と相互作用した際の情報を分析して組成を明らかにする装置で、医療や製造、化学検査、環境研究に欠かせない。しかし小型化は従来、性能とのトレードオフを伴ってきた。携帯型の分光器は測定範囲が狭く、分解能や精度が低下しがちで、「何か」を識別する用途には向いても、精密な測定には不十分だった。
研究チームが考案した「畳み込み分光器」は、この制約を打ち破ることを狙う。従来は入射光を波長ごとに分離するか、複雑な計算でスペクトルを再構成していたのに対し、新手法は畳み込み定理を利用し、入射光そのものに対して畳み込み演算を光領域で直接実行する。周期的なスペクトル応答を持つ光学素子（非平衡マッハ・ツェンダー干渉計やマイクロリング共振器など）を直列に並べ、各素子を比例的に調整することで、波長に対する応答を制御された線形シフトとして動かし、その後、高速フーリエ変換でスペクトルを正確に復元する仕組みだ。
筆頭著者のChunhui Yao博士は「鍵となる発想は数学に立ち返り、スペクトル取得のもっとすっきりした方法があるかを問うことだった」と語る。畳み込み定理を光領域で直接使うことで、小型分光器を長く縛ってきた多くの制約を回避でき、小型・低コストでありながら高精度、強い耐雑音性、低い計算負荷を同時に実現できるという。
ハードウェアは窒化ケイ素フォトニクス基盤上に作製され、オンチップ電子回路も統合されている。1200〜1700ナノメートルの近赤外域をカバーし、測定の取得と処理は1秒未満で完了する。周期的な光学パターンを利用するため、スペクトル帯域は理論上ほぼ無制限に拡張でき、光学素子を直列に追加すればハードウェアを大きく変えることなく分解能を指数関数的に高められる。
研究チームは実際の材料でも性能を検証した。プラスチック、医薬品、コーヒー、小麦粉、茶の識別では分類成功率100%を達成。水溶液や有機溶液中の濃度測定では約0.01%の精度を記録し、これらの実験では市販のベンチトップ分光器を上回った。
特に注目されるのが医療・健康分野の実証だ。実際の生理環境を模した条件下で、皮膚水分、血中アルコール、血中乳酸、血糖値といった複数の生体指標を正確に測定。さらに1人の被験者で長時間の非侵襲血糖値追跡も行った。実用の医療製品とするにはさらなる試験が必要としながらも、皮膚を繰り返し刺さずに血糖値を監視できる可能性を示す結果だ。
プロジェクトを率いるQixiang Cheng教授は「この成果の際立つ点は実験室での性能だけでなく、技術的な成熟度にある」と述べる。Yao博士の貢献は数学的な概念を、極端な温度や実環境でも安定して動作する完全にパッケージ化された堅牢なシステムへと変換したことであり、それが実運用への道を開いたという。実際、零下20℃から80℃の範囲で信頼性を保って動作し、小型分光器としては異例に広い温度耐性を示した。これはウェアラブル機器や工場設備、屋外センサーにとって特に価値が大きい。
設計の簡素さは計算面の利点にもつながる。多くの既存小型分光器は複雑な校正手順と重いアルゴリズムに頼ってスペクトルを再構成するため、測定にノイズが含まれると精度が落ちやすく、多くの処理資源を必要とする。これに対し畳み込み方式は測定が線形な数学関係に従うため、少ない計算量で迅速かつ安定してスペクトルを復元できる。光子系统の設計と統合に携わったRichard Penty教授は「簡素でスケーラブル、量産可能なアーキテクチャでありながら、より大きな装置に匹敵する、あるいは上回る精度を実現する、エレガントな工学が実際のインパクトを生む好例だ」と評した。
今後、研究チームは精密な光学センシングを専門実験室に限らず、日常技術の標準機能にしたい考えだ。産業分野では安価な分光器を生産ラインに多数配置し、材料組成や製品品質を継続的に検査できる。同様のセンサーは食品の鮮度監視や物質識別、環境状態の分析を現在よりはるかに大規模に行える。医療では、小型センサーによってウェアラブル機器が水分状態の測定、アルコール中毒の兆候検知、体力関連バイオマーカーの追跡、糖尿病患者の持続的な血糖モニタリングを担う可能性がある。
Cheng教授は「分光測定を温度やモーションセンシングと同じくらい当たり前にしたい」と語る。この研究は、高品質なスペクトル情報が実験室に閉じ込められる必要はなく、人々が日常的に使う技術に直接組み込めることを示している。フォトニクス技術の小型化が進む中、約10ドルの畳み込み分光器は、数学的な洞察と工学的な実装が精密科学機器をより簡素で安価、そして身近にする道筋を描いている。