暗視技術に革命を起こす新しい全光学的アプローチ

June, 19, 2024, Melbourne--ARC Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems(ARCの革新的なメタ光学システムセンタ)の研究者は、暗視技術への新しいアプローチを提供する旅で大きな進歩を遂げ、ラップよりも薄く、いつの日か日常の眼鏡に装着できる赤外線フィルタを作成し、ユーザが赤外線と可視光のスペクトルを同時に表示できるようにした。

暗視装置は、主に軍隊、多目的双眼鏡を持ち歩く狩猟愛好家、または重いレンズを持ち歩くことをいとわない写真家によって使用されてきた。これは、その技術の重量とかさばりによるものである。普通の人は、額に1kgの重量を詰めて夜間に走ることはない。

暗視装置の小型化は、広範な採用につながる可能性がある。重量が1g未満で、従来のメガネにフィルムとして挟むことができる暗視フィルタを作成することで、新しい日常的な用途が開かれる。可視光と赤外スペクトルを同時に見ることができる民生用暗視メガネは、暗闇でのより安全な運転、より安全な夜間の歩行、そして現在かさばる不快なヘッドランプを必要とする暗い場所での作業の手間を軽減できる可能性がある。

Advanced Materials誌に掲載された研究で、オーストラリア国立大学のTMOS研究者は、非局所的なニオブ酸リチウム(LN)メタサーフェスを使用して、強化された赤外線ビジョン非線形アップコンバージョン技術を実証した。

従来の暗視技術では、赤外線フォトンがレンズを通過して、これらの光子を電子に変換する光電面に遭遇し、マイクロチャネルプレートを通過して生成される電子の数を増やす必要があった。これらの電子は蛍光体スクリーンを通過してフォトンに再変換され、目で確認できる強めの可視画像を生成する。これらの要素には、熱雑音の増大を防ぐために極低温冷却が必要。上記のような高品質の暗視システムは、重くてかさばる。さらに、これらのシステムは可視光を遮断することがよくある。

メタサーフェスベースのアップコンバージョン技術は、必要な要素が少なくて済むため、設置面積が大幅に削減される。フォトンは単一の共鳴メタサーフェスを通過し、そこでポンプビームと混合される。共鳴メタサーフェスはフォトンのエネルギーを高め、可視光スペクトルに引き込み、電子の変換を必要としない。また、室温で動作するため、かさばる重い冷却システムが不要になる。

さらに、従来の赤外線および可視イメージングシステムは、各スペクトルから画像を並べてキャプチャするため、同一の画像を生成できない。アップコンバージョン技術を使用することで、イメージングシステムは可視と不可視の両方を1つの画像でキャプチャできる。

この研究は、ガリウム砒素(GaAs)のメタサーフェスを特徴とする研究者の独自技術を改良したものである。チームの新しいメタサーフェスは、可視範囲で完全に透明なLNでできており、はるかに効率的である。さらに、フォトンビームはより広い表面積に広がるため、データの角度損失が制限される。

筆頭著者Laura Valencia Molinaは、「赤外線から可視光への高効率なアップコンバージョンは、非局所的なメタサーフェスに内在する角度損失のために収集されない情報量が多いため、不可能であると言われてきた。これらの制限を克服し、高効率の画像アップコンバートを実験的に実証した。

著者のRocio Camacho Moralesは、「これは、非局所メタサーフェスにおける1550 nmの赤外光から可視550nm光への高解像度アップコンバージョンイメージングの最初のデモンストレーションである。これらの波長を選んだのは、1550nmという赤外光がテレコムに一般的に使われており、550nmは人間の目が敏感な可視光だからだ。今後の研究では、デバイスが感度を持つ波長の範囲を拡大し、広帯域のIRイメージングを目指し、エッジ検出を含む画像処理を探求する」とコメントしている。

主任研究者Dragomir Neshevは、「これらの結果は、とりわけ、監視、自律航法、生物学的イメージング産業に大きな機会を約束する。暗視技術のサイズ、重量、電力要件の低減は、メタ光学系とTMOSが行っている作業が、Industry 4.0と将来の技術の極端な小型化にとっていかに重要であるかを示す一例である」と話している。