الإلكترونيات
ثورة في تقنية الرؤية الليلية: OLEDs تمهد الطريق لحلول خفيفة الوزن وعالية التقنية
هل تساءلت يومًا إذا كانت تلك النظارات الليلية في الأفلام تعمل؟ هل يمكنك حقًا رؤية في الظلام؟ الجواب هو نعم — إنها تعمل، مما يتيح لك الرؤية في الظلام. هذا ممكن بفضل تقنية الرؤية الليلية. لكن كيف تعمل؟
أولاً، يجب أن نفهم أن كمية الطاقة في موجة الضوء مرتبطة بطولها الموجي. إذا كان الطول الموجي أقصر، تكون الطاقة أعلى، والعكس صحيح.
في الضوء المرئي، الأحمر هو الأقل طاقة، بينما البنفسجي هو الأكثر. من ناحية أخرى، يتضمن الضوء تحت الأحمر (الإنفرادي) الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء (near-IR) بطول موجي يتراوح بين 0.7-1.3 ميكرون، والضوء تحت الأحمر المتوسط (mid-IR) بطول موجي بين 1.3 و3 ميكرون، والضوء تحت الأحمر الحراري (thermal-IR) بطول موجي من 3 ميكرون إلى أكثر من 30 ميكرون.
على عكس Near-IR وmid-IR، التي تُستخدم بواسطة مختلف الأجهزة الإلكترونية، فإن thermal-IR يُصدره جسم بدلاً من أن ينعكس عنه.
إذن، تمكّن تقنية الرؤية الليلية من الرؤية في الظلام إما عن طريق تضخيم الضوء المتاح أو اكتشاف الإشعاع تحت الأحمر. تلتقط أجهزة الرؤية الليلية فوتونات الضوء وتضخمها لإنشاء صورة مرئية أو تكتشف الإشعاع تحت الأحمر الصادر عن الأجسام وتحوّله إلى صورة مرئية.
تُستخدم معدات الرؤية الليلية — بما في ذلك المناظير، والنظارات، والكاميرات — عادةً في المجالات العسكرية، والمراقبة، والملاحة، وإنفاذ القانون، والصيد، ومراقبة الحياة البرية، واكتشاف الأجسام المخفية، والأمن.
بدفع هذا الطلب المتزايد عبر تطبيقات مختلفة وتقدم التكنولوجيا، من المتوقع أن ينمو حجم سوق أجهزة الرؤية الليلية متوقع من 8.68 مليار دولار في 2024 إلى 12.74 مليار دولار بحلول 2029.
اكتشاف جديد: OLED رقيق كالورق للرؤية الليلية المدمجة والخفيفة الوزن
في ظل ذلك، قام الباحثون من جامعة ميتشيغان بإنشاء نوع جديد من OLED الذي أرق من الورق ويمكنه أن يحل محل النظارات الليلية الضخمة بنظارات خفيفة الوزن. هذا قد يجعل نظارات الرؤية الليلية أرخص وأكثر عملية للاستخدام المطول.
المصدر: University of Michigan
الصمامات العضوية المضيئة، أو OLEDs، هي من بين أكثر الأجهزة الإلكترونية العضوية نجاحًا وتهيمن على سوق شاشات الهواتف المحمولة. كما أنها تتوسع إلى السيارات، والأجهزة القابلة للارتداء، ومجموعة واسعة من تطبيقات الإضاءة. شاشات الهواتف الذكية، مثل تلك الموجودة في iPhone، تستخدم هذا النوع من الضوء.
في ظل هذا السياق، قدمت الدراسة فئة جديدة من الأجهزة العضوية المضيئة التي تُظهر ثباتًا ثنائيًا بسبب التغذية الراجعة الضوئية الإيجابية بين الفوتوديود العضوي وOLED المزدوج المدمج في نفس طبقة التراص.
ممولًا من قبل DARPA، تم إجراء البحث بالتعاون مع مقاول الفضاء والدفاع RTX وشركة OLEDWorks، وهي شركة تصنع منتجات إضاءة OLED. تعمل OLEDWorks وجامعة بن ستيت، حيث نشأت الدراسة قبل أن ينتقل المؤلف المشارك، كريس جيبينك، إلى جامعة ميتشيغان، حاليًا على براءة اختراع التقنية.
تعتمد أنظمة الرؤية الليلية التقليدية على مكبرات الصورة لتضخيم الضوء الوارد. الجهاز OLED الجديد يقوم بذلك أيضًا — بتحويل الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي ثم تضخيمه بأكثر من 100 مرة. ومع ذلك، يقوم جهاز OLED بكل ذلك دون الحاجة إلى الجهد العالي، الوزن، وطبقة الفراغ غير المريحة المطلوبة في مكبرات الصورة التقليدية. لتحقيق تضخيم عالي، ركز الباحثون بدلاً من ذلك على تحسين تصميم الجهاز.
وفقًا لجايبينك، أستاذ جامعة ميتشيغان في الهندسة الكهربائية وهندسة الحاسوب والفيزياء، فإن ميزة مثيرة في النهج الجديد هي أن الضوء يُضخم داخل طبقة رقيقة أقل من ميكرون (0.001 مم) سُمكًا. هذا أرق بكثير من خيط شعر واحد، الذي يبلغ سمكه حوالي 50 ميكرون.
من خلال العمل بجهد أقل بكثير من مكبر الصورة التقليدي، يقلل الجهاز من استهلاك الطاقة، مما يطيل عمر البطارية.
تقنيًا، يعمل جهاز OLED الجديد من خلال دمج طبقة ماصة للفوتونات مع مجموعة من OLEDs المكوّنة من خمس طبقات. تقوم الطبقة الماصة للفوتونات بتحويل الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء إلى إلكترونات، بينما تحول طبقة OLED الإلكترونات إلى فوتونات ضوء مرئية.
مثاليًا، تُولد خمس فوتونات لكل إلكترون يمر عبر مجموعة OLED. تُصدر بعض هذه الفوتونات إلى عين المستخدم، بينما تُعاد امتصاص الأخرى إلى الطبقة الماصة للفوتونات.
بهذه الطريقة، لا يزال النظام يولد المزيد من الإلكترونات التي تتحرك مرة أخرى عبر OLED، محدثًا دورة تغذية راجعة إيجابية تعزز بشكل كبير كمية الضوء الناتج عن كمية معينة من الضوء المدخل.
بينما تمكنت OLEDs في المحاولات السابقة من تحويل الضوء القريب من الأشعة تحت الحمراء إلى ضوء مرئي، لم يكن هناك أي زيادة. هذا يعني أننا حصلنا على فوتون واحد فقط كخرج من فوتون واحد كدخل. وفقًا للمؤلف الرئيسي للدراسة، راجو لامباند، زميل بحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ميتشيغان:
“هذا يمثل أول إظهار لكسب فوتون عالي في جهاز طبقة رقيقة.”
لكن هذا ليس نهاية قدرات هذا الجهاز. فهو في الواقع يُظهر سلوكًا ذا ذاكرة يمكن أن يكون له تطبيقات حتى في أنظمة الرؤية الحاسوبية. يُطلق على هذا السلوك اسم الهسترة، حيث يعتمد خرج الضوء في لحظة معينة على شدة ومدة الإضاءة السابقة.
لذا، في خطوة \”غير عادية\”، يبقى جهاز OLED الجديد مُشغلاً ويتذكر الأشياء مع مرور الوقت. هذا يختلف عن الوضع الطبيعي الذي يبدأ فيه OLED التحويلي بإصدار الضوء عند الإضاءة، فقط ليتوقف عندما تكون الإضاءة مطفأة.
سلوك الذاكرة للجهاز يطرح بعض التحديات لتطبيقات الرؤية الليلية، لكنه قد يخلق فرصة لمعالجة الصور التي تعمل بشكل أقرب إلى نظام الرؤية البشري. في ذلك النظام، تمر الخلايا العصبية البيولوجية الإشارات بناءً على توقيت وقوة الإشارات الواردة.
قد تجعل قدرة OLED الجديد على تذكر المدخلات السابقة مفيدة لبعض أنواع الاتصالات الشبيهة بالخلايا العصبية. تتيح هذه الاتصالات تفسير وتصنيف صورة الإدخال دون معالجة البيانات في وحدة حوسبة منفصلة.
تم تصنيع جهاز OLED بواسطة الباحثين باستخدام مواد وطرق تُستخدم على نطاق واسع بالفعل في تصنيع OLED. وبالتالي، لديه إمكانات للاستخدام القريب في أنواع جديدة من شاشات العرض وتطبيقات التصوير التحويلي، بالإضافة إلى تقديم منصة جديدة للتعرف على الصور والإلكترونيات الضوئية العصبية.
استخدام المواد والعمليات القائمة المتاحة بالفعل يمكن أيضًا أن يحسن بشكل كبير فعالية التكلفة وقابلية التوسع للتقنية للتطبيقات المستقبلية.
ابتكارات أخرى في الرؤية الليلية
من بين الابتكارات المستمرة في مجال الرؤية الليلية، استلهم فريق من المهندسين مؤخرًا من أنظمة بصريات القطط لتطوير نوع جديد من الكاميرا يمكنه التقاط الصور في الظلام. الجهاز قادر أيضًا على رؤية ما وراء التمويه، مما يجعله مفيدًا في تطبيقات بعيدة المدى مثل الطائرات العسكرية بدون طيار.
تتوهج عيون القطط في غرفة مظلمة، وذلك بسبب وجود طبقة تُدعى tapetum lucidum في العين، وهي بنية تعكس الضوء. لا تمتص شبكية عين القط الضوء الذي يصطدم بها مباشرة فحسب، بل تمتص أيضًا الضوء المنعكس من tapetum lucidum، وبالتالي تمنح القطط رؤية ليلية محسنة.
هذا ليس كل شيء. تمتلك عيون القطط المنزلية ميزة أخرى، وهي الحدقة العمودية، الشائعة لدى المفترسات المتكيدة ذات الأحجام الصغيرة. تمنح الحدقة العمودية هذه الفصيلة الصغيرة إدراكًا عمقًا محسّنًا. تساعد هذه الحدقاتها على التركيز على الهدف مع تصفية الفوضى في الخلفية.
لإعادة تطوير هذه البُنى، صمم مهندسون من جامعات كورية جنوبية مختلفة، بقيادة يونغ مين سونغ، أستاذ في معهد غوانغجو للعلوم والتكنولوجيا، فتحة كاميرا عمودية. عند دمجها مع مصفوفة فوتوديتكتور سيليكونية ذات عاكسات فضية، تم محاكاة امتصاص الضوء المزدوج للـ tapetum lucidum.
وفقًا لـ البحث الجديد، عندما تم اختباره بتوجيهه نحو جسم على شكل فأر مخفي على مسافات مختلفة، نجح الجهاز في تمييز الشكل رغم التمويه.
ومع ذلك، ليس خاليًا من الأخطاء. إن حساس الصورة الصناعي ليس حادًا كالذي تمتلكه القطط طبيعيًا. حدقة كاميرا عين القط الشبيهة بالشقوق تعني أن لديها مجال رؤية محدود. لتجاوز هذا القيد، يقترح المهندسون أجهزة تستخدم هذه الكاميرا لتقليد رأس وعضلات كتف القط لتكرار حركة القط بالكامل.
هذا ليس أول مرة يستلهم فيها الباحثون من الطبيعة. التكنولوجيا المستوحاة بيولوجيًا شائعة جدًا ومألوفة. حتى العدسات تم إنشاؤها بهذه الطريقة، باستخدام بيولوجيا الأخطبوط، سمك الفيل الأنفي، والروبيان المانتي. عيون القطط، على وجه الخصوص، تحمل وعدًا للظروف المظلمة و\”إمكانية تسهيل نشر الروبوتات المتنقلة في مجموعة متنوعة من التطبيقات الروبوتية غير التقليدية عن طريق استبدال البشر\” في روبوتات المراقبة، المركبات غير المأهولة، والطائرات العسكرية بدون طيار، حسب ما أشار الدراسة.
قبل بضعة أشهر، تبنى معلم آخر نهجًا بصريًا كليًا جديدًا لتعزيز الرؤية تحت الحمراء، محدثًا ثورة في تقنية الرؤية الليلية. لهذا، أنشأ مركز التميز التابع للمجلس الأسترالي للبحوث في الأنظمة الميتا-بصرية التحويلية (TMOS) مرشحًا تحت أحمر رقيقًا للغاية.
نظرًا لأنه أرق من قطعة من الغلاف البلاستيكي الشفاف، يمكنه حتى الجلوس فوق النظارات، مما يسمح للمرتدي برؤية كل من طيف الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي في آن واحد. ستقلل التقنية الجديدة وزن التقنية بشكل كبير، إلى أقل من جرام.
مع هذه الفوائد، يمكن للتقنية الناتجة أن تجد فرصًا هامة في مجال المراقبة التصويرية البيولوجية وصناعات الملاحة الذاتية.
بالنسبة لـ البحث، استخدم الفريق تقنية التحويل العكسي المستندة إلى الميتاسرفيس لتوفير مسار أسهل لمعالجة فوتونات الضوء. هنا، تمر الفوتونات عبر ميتاسرفيس رنان، وتختلط مع شعاع الضخ.
استخدام ميتاسرفيس الليثيوم نيوبات غير المحلي يعزز طاقة الفوتونات، وبدلاً من تحويلها إلى إلكترونات أولاً، يجذبها إلى طيف الضوء المرئي. هذا يلغي الحاجة إلى التبريد المتجمد، وبالتالي يقلل من ‘الضوضاء’ للحصول على صور أكثر وضوحًا في الرؤية الليلية التقليدية، وكنتيجة لذلك، يمكن أن يضع حدًا لثقل هذه النظارات.
“هذا هو أول إظهار لتصوير تحويل عالٍ الدقة من الأشعة تحت الحمراء بطول 1550 نانومتر إلى الضوء المرئي بطول 550 نانومتر في ميتاسرفيس غير محلي.”
– روسيو كاماشو موراليس، مؤلف الدراسة
عند الحديث عن قرار اختيار هذه الأطوال الموجية، أشار كاماشو إلى أن 1550 نانومتر يُستخدم عادةً للاتصالات بينما عيون البشر حساسة جدًا للطول الموجي الآخر. في أبحاثهم المستقبلية، سيعمل الفريق على توسيع نطاق الأطوال الموجية التي يستشعرها الجهاز بهدف “الحصول على تصوير تحت أحمر واسع النطاق، بالإضافة إلى استكشاف معالجة الصور، بما في ذلك كشف الحواف”.
الشركات التي تدفع تقنية الرؤية الليلية إلى الأمام
في عالم تقنية الرؤية الليلية، تساعد شركات مثل L3Harris Technologies (NYSE: LHX)، BAE Systems (OTC: BAESY)، وليوناردو في دفع هذا المجال إلى الأمام.
من بين هؤلاء، تُعد L3Harris لاعبًا رئيسيًا في مجال الدفاع والفضاء، وتنتج نظارات وأنظمة رؤية ليلية متقدمة لـ العسكريين وإنفاذ القانون. كما تطور BAE Systems تقنيات الرؤية الليلية والتصوير تحت الأحمر للتطبيقات العسكرية، على غرار ليوناردو، التي تخدم معداتها للرؤية الليلية — بما في ذلك مكبرات الصورة وأنظمة التصوير الحراري — قطاعات الدفاع والأمن والفضاء.
ثم هناك FLIR Systems، التي أصبحت الآن جزءًا من Teledyne Technologies (NYSE: TDY)، وتنتج كاميرات تصوير حراري وتحت أحمر تُستخدم في أنظمة الرؤية الليلية عبر قطاعات مختلفة. تُعرف Raytheon Technologies (NYSE: RTX) بشكل خاص بإنتاج أنظمة التصوير تحت الأحمر والحراري، وهي أساسية لقدرات الرؤية الليلية في القطاعات العسكرية والطيران.
الآن، دعونا نلقي نظرة أعمق على الشركات التي تساعد في تقدم التقنية:
#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN)
Kopin هي لاعب رئيسي في تقدم تقنية الرؤية الليلية، وتختص في تطوير شاشات دقيقة وتقنيات قابلة للارتداء، بما في ذلك شاشات العرض العلوية (HUDs)، التي تُعد مكونات حاسمة في أنظمة الرؤية الليلية الحديثة.
في مايو، حصلت الشركة على عقد من عميل دفاعي غير محدد لتطوير نظام رؤية ليلية رقمي منخفض الكمون يدمج تقنية OLED للعرض الدقيق الخاصة بها. تم استخدام نظارات الرؤية الليلية التناظرية في العمليات العسكرية لأكثر من عقدين. من خلال الاستفادة من حساسات رقمية فعّالة وشاشات OLED الدقيقة المتقدمة، يهدف المشروع الجديد إلى تعزيز قدرات الرؤية الليلية بنظام رقمي كامل. يقلل هذا التكامل أيضًا من حجم وإسقاط أجهزة الرؤية الليلية، محسنًا كفاءتها التشغيلية.
(KOPN )
بقيمة سوقية تبلغ 74.23 مليون دولار، يتم تداول أسهم الشركة حاليًا بسعر 0.65 دولار، بانخفاض 69.77% منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) مقدارها -0.40 ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) مقدارها -1.53. في الربع الثاني من 2024، أبلغت Kopin عن إيرادات قدرها 12.3 مليون دولار، بزيادة 18% عن نفس الربع من العام السابق. ارتفعت إيرادات منتجات الشركة السنوية بنسبة 84%، مع زيادة إيرادات منتجات الدفاع بمقدار 5.4 مليون دولار وزيادة 0.3 مليون دولار في إيرادات المنتجات الصناعية. بينما بلغت تكلفة إيرادات المنتجات 8.7 مليون دولار، أي 79% من صافي إيرادات المنتجات، بانخفاض عن 95% في الربع الثاني من 2023. خلال الربع، كان صافي الخسارة (5.9) مليون دولار أو (0.05) دولار للسهم.
وفقًا للرئيس التنفيذي مايكل موراي:
“(خمسة عملاء جدد قدموا طلبات تطوير، مما يوفر) فرص إيرادات إنتاجية متعددة الملايين من الدولارات سنويًا في المستقبل.”
أضاف أنه تم منحه تصميم وتطوير وإنتاج نظام الاعتراض قصير المدى للجيل التالي (NG-SRI) للجيش الأمريكي، والذي سيبدأ في 2027. تشمل العقود الأخرى البحث في الأساليب البصرية لأنظمة تعزيز الرؤية للجيش الأمريكي وإيجاد طريقة لتقليل حجم ووزن البصريات المطلوبة في أنظمة الاستشعار المتقدمة للبحرية الأمريكية.
#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)
تشارك هذه الشركة الدفاعية في تطوير نظارات رؤية ليلية متقدمة، وأنظمة تصوير حراري، وأنظمة إلكترونية بصرية أخرى للاستخدام العسكري والمدني.
هذا الشهر، وقعت Elbit Systems عقدًا بقيمة 28 مليون دولار مع الجيش الأمريكي لتوفير مزيد من أجهزة الرؤية الليلية الأحادية AN/PVS-14 المثبتة على الخوذ، والتي تسمح للجنود بالتحرك بسرعة في الليل. يتضمن الجهاز مصدر إضاءة تحت أحمر وعدسات تكبير عالية لالتقاط صور واضحة في ظروف الإضاءة المنخفضة وعلى مسافة تصل إلى 150 مترًا. يأتي هذا الاتفاق بعد عقد بقيمة 12 مليون دولار وقعته الشركة لتوريد عدد غير معلن من أجهزة AN/PVS-14 للجيش. قبل ذلك، في عام 2021 أيضًا، كان للجيش وElbit صفقة بقيمة 54 مليون دولار لنفس الأجهزة.
(ESLT )
بقيمة سوقية تبلغ 8.5 مليار دولار، يتم تداول أسهم الشركة بسعر 192.24 دولار، بانخفاض 9.85% منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (EPS) (TTM) مقدارها 5.44، ونسبة السعر إلى الأرباح (P/E) (TTM) مقدارها 35.35، وعائد توزيعات بنسبة 1.04%. في الربع الثاني من 2024، أبلغت Elbit عن إيرادات بلغت 1.6 مليار دولار، وصافي دخل وفقًا لمبادئ المحاسبة المقبولة عمومًا (GAAP) قدره 78 مليون دولار، وصافي دخل غير GAAP قدره 93 مليون دولار، وطلب متأخر بقيمة 21.1 مليار دولار. كان التدفق النقدي للستة أشهر المنتهية في 30 يونيو 2024 بمقدار 26.0 مليون دولار، بانخفاض عن 210.7 مليون دولار المسجلة في نهاية النصف الأول من العام الماضي بسبب زيادة المخزون والذمم التجارية.
عند الحديث عن زيادة إيرادات الشركة بنسبة 12% على أساس سنوي، قال الرئيس التنفيذي بيزاهيل (بوتزي) ماخلِس:
“الطلب المستمر العالي على منتجاتنا وحلولنا يعزز موقعنا كقادة في الصناعة.”
الخلاصة
نمت تقنية الرؤية الليلية بشكل كبير في السنوات الأخيرة، مقدمةً فوائد مثل زيادة الصغر، تقليل استهلاك الطاقة، وتحسين وضوح الصورة. يبرز تطوير الأجهزة الرقيقة القائمة على OLED، والكاميرات المستوحاة من القطط، والميتاسرفيس المتقدمة أهمية البحث المستمر لتحقيق نتائج أفضل، مما يمكن أن يوسع التطبيقات المحتملة للرؤية الليلية أكثر، بما في ذلك مساعدتنا على فهم أعمق للعالم من حولنا.
انقر هنا لتعرف كيف يمكن للقطات الكمومية تحت الحمراء أن تساعدنا في بناء تقنيات تصوير الجيل التالي.
