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夜間視覚の革命：OLEDが軽量でハイテクなソリューションへの道を切り開く
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映画で見るナイトビジョンゴーグルが本当に機能するか、考えたことはありますか？暗闇で本当に見えるのでしょうか？答えは「はい」‑‑機能しますので、暗闇でも見ることができます。このはナイトビジョン技術によって実現しています。では、どのように機能するのでしょうか？
まず、光波のエネルギー量は波長に関係していることを理解しなければなりません。波長が短いほどエネルギーが高く、逆もまた同様です。
可視光では、赤色が最もエネルギーが低く、紫色が最も高いです。一方、赤外線は近赤外（0.7‑1.3 µm）、中赤外（1.3‑3 µm）、熱赤外（3 µm以上）に分類されます。
近赤外や中赤外はさまざまな電子機器で利用されますが、熱赤外は物体から放射されるもので、反射されるものではありません。
そのため、ナイトビジョン技術は利用可能な光を増幅するか、赤外線放射を検出することで暗闇での視認を可能にします。ナイトビジョンデバイスは光子を捕捉し増幅して可視画像を作り出すか、物体が放射する赤外線を検出して可視画像に変換します。
ナイトビジョン機器（スコープ、ゴーグル、カメラなど）は、軍事、監視、航海、法執行、狩猟、野生動物観察、隠し物検出、セキュリティなどで広く使用されています。
さまざまな用途での需要拡大と技術の進歩により、ナイトビジョンデバイスの市場規模は予測される 2024年の86億8,000万ドルから2029年には127億4,000万ドルへ成長すると予想されています。
新発見：コンパクトで軽量なNV向け紙のように薄いOLED
この中で、ミシガン大学の研究者たちは新しいタイプのOLEDを作成しました。このOLEDは紙よりも薄く、かさばるナイトビジョンゴーグルを軽量な眼鏡に置き換える可能性があります。このことにより、NV眼鏡がより安価で長時間使用に実用的になる可能性があります。
有機発光ダイオード（OLED）は、最も成功した有機エレクトロニクスデバイスの一つであり、モバイルディスプレイ市場を支配しています。また、自動車、ウェアラブルデバイス、幅広い照明用途にも拡大しています。iPhoneなどのスマートフォン画面もこのタイプの光を使用しています。
この背景のもと、研究は有機光電二極管と同層に統合されたタンデムOLED間の正の光フィードバックにより双安定性を示す新しい有機発光デバイスクラスを導入しました。
DARPAの資金提供を受け、研究は航空宇宙・防衛請負業者RTXおよびOLED照明製品を製造するOLEDWorksと共同で行われました。OLEDWorksとペンシルベニア州立大学は、研究がU‑Mに移った後も技術の特許取得に取り組んでいます。
従来のナイトビジョンシステムは画像増感管で入射光を増幅しますが、新しいOLEDデバイスも同様に近赤外光（IL）を可視光に変換し、100倍以上増幅します。ただし、従来の画像増感管に必要な高電圧、重量、真空層が不要です。高増幅を実現するため、研究者はデバイス設計の最適化に注力しました。
U‑Mの電気・コンピュータ工学・物理学教授であるChris Giebinkによれば、新アプローチの興味深い点は、光が厚さ0.001 mm未満の薄膜スタック内で増幅されることです。これは直径約50 µmの髪の毛1本よりもはるかに細いです。
従来の画像増感管よりはるかに低い電圧で動作するため、デバイスは消費電力を削減し、バッテリー寿命を延長します。
技術的に言えば、この新しいOLEDデバイスは光子吸収層と5層構成のOLEDスタックを組み合わせて動作します。光子吸収層はILを電子に変換し、OLED層は電子を可視光子に変換します。
理想的には、OLEDスタックを通過する1つの電子につき5つの光子が生成されます。そのうち一部はユーザーの目に届き、残りは再び光子吸収層に吸収されます。
このようにして、システムはさらに多くの電子を生成し、再びOLEDを通過させて正のフィードバックサイクルを作り、入力光に対する出力光の量を大幅に増強します。
過去の試みでは近赤外光を可視光に変換できても増幅は得られませんでした。つまり、1つの入力光子につき1つの出力光子しか得られませんでした。研究の第一著者であるU‑Mのポストドクター研究員Raju Lampandeは次のように述べています：
「これは薄膜デバイスにおける高光子増幅の初めての実証です。」
しかし、これがデバイスの能力の終わりではありません。実際、記憶特性を示し、コンピュータビジョンシステムにも応用できる可能性があります。この特性はヒステリシスと呼ばれ、光出力は過去の照射強度と時間に依存します。
したがって「異例」の動きとして、新しいOLEDデバイスはオン状態を保ち、時間とともに情報を記憶します。これは、通常のアップコンバージョンOLEDが照射されると光を出し、照射が止まると光を止めるという状況とは異なります。
デバイスの記憶特性はNV応用にいくつかの課題をもたらしますが、人間の視覚システムのように信号のタイミングと強度に応じて情報を伝達するニューロン的処理の機会を提供するかもしれません。
新しいOLEDの過去入力を記憶する能力は、入力画像を別個の計算ユニットで処理せずに解釈・分類できるニューロン様接続にも有用です。
OLEDデバイスは研究者が既に広く使用されているOLED製造の材料と方法で製造されました。そのため、近い将来、新しいディスプレイやアップコンバージョンイメージングへの応用、さらには画像認識やニューロモルフィック光電子学の新プラットフォームとしての可能性があります。
既存の材料とプロセスを活用することで、将来の応用に向けたコスト効率とスケーラビリティも大幅に向上します。
その他のナイトビジョンイノベーション
NV分野で進行中のイノベーションの中で、最近、エンジニアチームが猫の視覚システムにヒントを得て、暗闇でも画像を撮影できる新型カメラを開発しました。このデバイスは迷彩も透過でき、軍用ドローンなど遠距離用途に有用です。
猫の目が暗闇で光るのは、タペタム・ルシダムという光を反射する構造があるためです。猫の網膜は直接入射した光だけでなく、タペタム・ルシダムから反射された光も吸収し、夜間視覚を強化します。
これだけではありません。家猫の目には、体が小さい待ち伏せ捕食者に共通する垂直瞳孔があります。この垂直瞳孔は小型の肉食動物に深い奥行き感覚を与え、背景の雑音を除去しながらターゲットに焦点を合わせるのに役立ちます。
これらの構造を再現するため、光州科学技術院のYoung Min Song教授が率いる韓国の複数大学のエンジニアは、垂直カメラ絞りを製作しました。シリコン光検出器アレイに銀反射板を組み合わせることで、タペタム・ルシダムの二重光吸収を模倣しました。
新しい研究によると、隠されたマウス形状の対象物をさまざまな距離で指向してテストしたところ、カモフラージュがあっても形状を正確に識別できました。
しかし、完全ではありません。人工的な画像センサーは猫が自然に持つものほど鋭敏ではありません。猫眼カメラのスリット状瞳孔は視野が狭くなります。この制限を克服するため、エンジニアはカメラを猫の頭部と肩の筋肉を模倣したデバイスに組み込み、完全な猫の動きを再現することを提案しています。
これは自然からインスピレーションを得た初めての事例ではありません。生体模倣技術は非常に一般的で、イカ、象鼻魚、カマツカミキリの生物学を利用したレンズも作られています。特に猫の目は暗所での視認性に優れ、監視ロボットや無人航空機、軍用ドローンにおいて「人間に代わってモバイルロボットをさまざまな非従来型ロボット応用に展開する可能性」を提供すると研究は指摘しています。
数か月前、別の研究者が全光学的アプローチで赤外線視覚を強化し、ナイトビジョン技術に革命をもたらしました。オーストラリア研究評議会の変革的メタ光学システム（TMOS）センターは、極めて薄い赤外線フィルターを開発しました。
ラップフィルムよりも薄く、眼鏡の上に装着できるため、赤外線と可視光の両方を同時に見ることができます。この新技術は重量を1グラム未満に大幅に削減します。
このような利点により、バイオイメージング監視や自律航行産業での大きな機会が見込まれます。
この研究では、メタサーフェスに基づくアップコンバージョン技術を使用し、光子処理の容易な経路を提供しています。ここで光子は共鳴メタサーフェスを通過し、ポンプビームと混合します。
非局所リチウムニオブメタサーフェスの使用により光子のエネルギーが増幅され、電子に変換せずに直接可視光スペクトルへ引き上げます。これにより、従来のNVで必要な低温冷却が不要となり、ノイズが減少して画像が鮮明になり、ゴーグルのかさばりも解消されます。
「これは1550 nm赤外線から可視550 nm光への高解像度アップコンバージョンイメージングを非局所メタサーフェスで初めて実証したものです。」
– Rocio Camacho Morales, 研究の著者
使用波長の選択について、Camachoは1550 nmは通信で一般的に使用されるが、人間の目は別の波長に高感度であると指摘しました。今後の研究では、デバイスが感知できる波長範囲を拡大し、「広帯域IRイメージングの取得やエッジ検出などの画像処理の探求」を目指す予定です。
NV技術を推進する企業
ナイトビジョン技術の世界では、L3Harris Technologies (LHX ) （NYSE: LHX）、BAE Systems (BSP.DE ) （OTC: BAESY）、Leonardoなどの企業がこの分野を前進させています。
その中でも、L3Harrisは防衛・航空宇宙分野の大手で、軍事および法執行機関向けの高度なナイトビジョンゴーグルやシステムを製造しています。BAE Systemsも軍事用途向けのナイトビジョン・赤外線イメージング技術を開発しており、Leonardoも画像増感管や熱画像システムを含むナイトビジョン機器を防衛、セキュリティ、航空宇宙分野に提供しています。
さらに、現在はTeledyne Technologies (TDY ) （NYSE: TDY）の一部となったFLIR Systemsは、さまざまなセクターで使用される熱画像・赤外線カメラを製造しています。Raytheon Technologies（NYSE: RTX）は、軍事および航空分野で不可欠な赤外線・熱画像システムの製造で特に知られています。
では、技術を前進させている企業を詳しく見てみましょう：
#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN)
ナイトビジョン技術の進展に重要な役割を果たすKopinは、マイクロディスプレイやウェアラブル技術、ヘッドアップディスプレイ（HUD）などの開発を専門としており、現代のNVシステムの重要コンポーネントです。
5月、同社は未公開の防衛顧客からOLEDマイクロディスプレイ技術を組み込んだ低遅延デジタルナイトビジョンシステムの開発契約を獲得しました。従来のアナログNVゴーグルは20年以上軍事作戦で使用されてきましたが、効率的なデジタルセンサーと高度なOLEDマイクロディスプレイを活用することで、完全デジタルシステムによるNV性能の向上とデバイスのサイズ・投影の縮小が期待されています。
KOPN 価格チャート
時価総額は7,423万ドルで、株価は0.65ドル（年初来69.77％下落）です。EPS（TTM）は‑0.40、P/E（TTM）は‑1.53です。2024年第2四半期の売上高は1,230万ドルで、前年同期比18％増加しました。製品売上は前年同期比84％増で、防衛製品の売上は540万ドル増、産業製品の売上は30万ドル増でした。製品原価は8,700万ドルで、純製品売上の79％を占め、2Q23の95％から減少しました。四半期の純損失は590万ドル（1株当たり‑0.05ドル）でした。
CEOのMichael Murrayによると：
「5つの新規顧客が開発注文を出しており、将来的に数百万ドル規模の年間生産収益機会が見込まれます。」
さらに、同氏は米陸軍の次世代短距離迎撃システム（NG‑SRI）の設計・開発・製造を2027年に開始する契約を受注したことを明らかにしました。他にも、米陸軍向けの視覚拡張システムの光学アプローチ研究や、米海軍向け高度センサーシステムに必要な光学部品のサイズと重量を削減する取り組みが含まれます。
#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)
この防衛企業は、先進的なナイトビジョンゴーグル、熱画像システム、その他の電光学システムを軍事および民間向けに開発しています。
今月、Elbit Systems (ESLT ) は米陸軍と2,800万ドルの契約を結び、ヘルメット装着型AN/PVS-14単眼ナイトビジョンデバイスを追加供給します。このデバイスは赤外線照射器と高倍率レンズを備え、低光条件でも最大150メートル先まで鮮明な画像を取得できます。この契約は、同社が以前に1,200万ドルでAN/PVS-14デバイスを供給した契約に続くものです。さらに、2021年にも同社は同種デバイスで5,400万ドルの契約を結んでいました。
ESLT 価格チャート
時価総額は85億ドルで、株価は192.24ドル（年初来9.85％下落）です。EPS（TTM）は5.44、P/E（TTM）は35.35、配当利回りは1.04％です。2024年第2四半期の売上高は16億ドル、GAAP純利益は7,800万ドル、非GAAP純利益は9,300万ドル、受注残高は211億ドルでした。2024年6月30日までの6か月間のキャッシュフローは2,600万ドルで、前年上半期の2億1,070万ドルから在庫と売掛金の増加により減少しました。
売上高の前年比12％増加について、CEOのBezhalel（Butzi）Machlisは次のように述べました：
「当社製品とソリューションへの継続的な高需要が、業界リーダーとしての地位を強化しています。」
結論
ナイトビジョン技術は近年指数関数的に成長し、コンパクト化、低消費電力、画像鮮明度の向上といった利点を提供しています。薄型OLEDデバイス、猫インスパイアカメラ、先進的メタサーフェスの開発は、さらなる研究の重要性を強調しており、結果としてナイトビジョンの潜在的応用範囲はさらに拡大し、我々が周囲の世界をより深く理解する手助けとなります。
