Revolutionerende Natvision: OLED’er Baner Vejen for Letvægts- og Højteknologiske Løsninger

Har du nogensinde spekuleret på, om de natvisionsbriller i filmene virker? Kan du virkelig se i mørket? Svaret er ja – de fungerer, så du kan se i mørket. Dette er muligt takket være natvisionsteknologi. Men hvordan virker den? 

Først skal vi forstå, at mængden af energi i en lysbølge er relateret til dens bølgelængde. Hvis en bølgelængde er kortere, har den højere energi, og omvendt. 

I det synlige lys har rødt den mindst energi, mens violet har mest. Infrarødt lys omfatter derimod nær‑infrarød (near‑IR) med bølgelængder i intervallet 0,7‑1,3 mikron, midt‑infrarød (mid‑IR) med bølgelængder mellem 1,3 og 3 mikron, og termisk‑infrarød (thermal‑IR) med bølgelængder fra 3 mikron til over 30 mikron. 

I modsætning til Near‑IR og mid‑IR, som bruges af forskellige elektroniske enheder, udsendes thermal‑IR af et objekt i stedet for at blive reflekteret fra det. 

Så natvisionsteknologi muliggør syn i mørket ved enten at forstærke tilgængeligt lys eller ved at opdage infrarød stråling. Natvisionsenheder indfanger fotoner af lys og forstærker dem for at skabe et synligt billede eller opdager infrarød stråling udsendt af objekter og omdanner den til et synligt billede. 

Natvisionsudstyr – herunder kikkertsigte, briller og kameraer – anvendes ofte i militæret, overvågning, navigation, politi, jagt, dyreobservation, skjult objekt‑detektion og sikkerhed. 

Drevet af den stigende efterspørgsel på tværs af forskellige anvendelser og teknologiske fremskridt, er markedets størrelse for natvisionsenheder forventet at vokse fra 8,68 mia. USD i 2024 til 12,74 mia. USD i 2029. 

Ny Opdagelse: Papir‑tynd OLED til Kompakt, Letvægts‑NV

Midt i dette har forskere fra University of Michigan skabt en ny type OLED, der er tyndere end papir og potentielt kan erstatte klodsede natvisionsbriller med letvægtsbriller. Dette kunne gøre NV‑briller billigere og mere praktiske for længerevarende brug. 

Kilde: University of Michigan

Organiske lys‑udsendende dioder, eller OLED’er, er blandt de mest succesfulde organiske elektroniske enheder og dominerer markedet for mobilskærme. De udvides også til bilindustrien, wearables og en bred vifte af belysningsapplikationer. Smartphone‑skærme, såsom dem i iPhone, bruger denne type lys. 

I denne kontekst introducerede studiet en ny klasse af organiske lys‑udsendende enheder, der udviser bistabilitet på grund af positiv fotonisk feedback mellem en organisk fotodiode og en tandem‑OLED integreret i samme lagstak. 

Finansieret af DARPA, blev forskningen udført i samarbejde med luft‑ og forsvarsentreprenøren RTX og OLEDWorks, et firma der fremstiller OLED‑belysningsprodukter. OLEDWorks og Penn State University, hvor studiet oprindeligt startede, før den tilsvarende forfatter, Chris Giebink, flyttede til U‑M, arbejder i øjeblikket på at patentere teknologien. 

Konventionelle natvisionssystemer baserer sig på billedforstærkere for at forstærke det indkommende lys. Den nye OLED‑enhed gør det samme – den omdanner nær‑IL til synligt lys og forstærker det derefter over 100‑fold. Men OLED‑enheden udfører alt dette uden den høje spænding, vægt og det besværlige vakuumlag, som traditionelle billedforstærkere kræver. For at opnå høj forstærkning fokuserede forskerne i stedet på at optimere enhedens design. 

Ifølge Giebink, professor i elektroteknik, datalogi og fysik ved U‑M, er en fascinerende egenskab ved den nye tilgang, at lyset forstærkes inden i en tynd filmstak, mindre end en mikron (0,001 mm) tyk. Dette er langt tyndere end et enkelt hårstrå, som har en tykkelse på omkring 50 mikron. 

Ved at operere ved en meget lavere spænding end en konventionel billedforstærker reducerer enheden strømforbruget, hvilket igen forlænger batterilevetiden. 

Teknisk set fungerer den nye OLED‑enhed ved at kombinere et foton‑absorberende lag med en stak af fem OLED‑lag. Det foton‑absorberende lag konverterer IL til elektroner, mens OLED‑laget konverterer elektronerne til synlige lys‑fotoner. 

Ideelt set genereres fem fotoner for hver elektron, der passerer gennem OLED‑stakken. Nogle af disse fotoner udsendes til brugerens øje, mens andre reabsorberes tilbage i det foton‑absorberende lag. 

På denne måde genererer systemet stadig flere elektroner, som igen bevæger sig gennem OLED‑enheden, hvilket skaber en positiv feedback‑sløjfe, der kraftigt forstærker den udgående lysmængde fra en given indkommende lysmængde. 

Mens OLED’er i tidligere forsøg har kunnet konvertere nær‑infrarødt lys til synligt lys, har der ikke været nogen gevinst. Dette betyder, at vi kun fik én udgående foton fra én indkommende foton. Ifølge studiets hovedforfatter, Raju Lampande, postdoc‑forsker i elektroteknik og datalogi ved U‑M:

“Dette markerer den første demonstration af høj foton‑gevinst i en tyndfilm‑enhed.” 

Men dette er ikke slutningen på enhedens kapaciteter. Den viser faktisk en hukommelsesadfærd, som kan have anvendelser også i computersynssystemer. Denne adfærd kaldes hysterese, hvor lysudgangen på et givet tidspunkt afhænger af intensiteten og varigheden af tidligere input‑belysning. 

Så i et “usædvanligt” træk forbliver den nye OLED‑enhed tændt og husker ting over tid. Dette er anderledes end den normale situation, hvor upconversion‑OLED’en begynder at udsende lys, når den belyses, kun for at stoppe, når belysningen slukkes. 

Enhedens hukommelsesadfærd giver visse udfordringer for NV‑applikationer, men den kan skabe en mulighed for billedbehandling, der fungerer mere som det menneskelige synssystem. I dette system sender biologiske neuroner signaler afhængigt af timingen og styrken af indkommende signaler. 

Den nye OLED’s evne til at huske tidligere input kan også gøre den nyttig for visse typer neuron‑lignende forbindelser. Disse forbindelser muliggør, at et input‑billede kan fortolkes og klassificeres uden at behandle data i en separat beregningsenhed. 

OLED‑enheden blev fremstillet af forskerne ved brug af materialer og metoder, der allerede er udbredt i OLED‑produktion. Som sådan har den potentiale til nær‑tidlig anvendelse i nye typer af displays og upconversion‑billedapplikationer, samt at tilbyde en ny platform for billedgenkendelse og neuromorfisk optoelektronik. 

Udnyttelsen af eksisterende materialer og processer der allerede er tilgængelige kan også betydeligt forbedre omkostningseffektiviteten og skalerbarheden af teknologien for fremtidige anvendelser. 

Andre Natvisions‑Innovationer

Blandt de igangværende innovationer inden for NV har et team af ingeniører for nylig ladet sig inspirere af kattes optiske systemer for at udvikle en ny type kamera, der kan optage billeder i mørket. Enheden kan også se gennem camouflage, hvilket gør den nyttig i langtrækkende anvendelser som militære droner. 

Kattes øjne lyser i et mørkt rum, fordi kattens øje har et tapetum lucidum, en struktur der reflekterer lys. Retinaen i kattens øje absorberer ikke kun lyset, der rammer den direkte, men også det, der reflekteres af tapetum lucidum, hvilket giver katte forbedret natvision. 

Det er ikke alt. Huskatte har endnu en egenskab, en vertikal pupil, som er almindelig hos bagholdspredatorer med lille kropsstørrelse. Denne vertikale pupil giver små rovdyr forbedret dybdeskarphed. Pupillerne hjælper dem med at fokusere på deres mål, mens de filtrerer baggrundsstøj. 

For at genskabe disse strukturer har ingeniører fra forskellige sydkoreanske universiteter, ledet af Young Min Song, professor ved Gwangju Institute of Science and Technology, fremstillet en vertikal kameraåbning. Når den kombineres med et silicium‑fotodetektor‑array med sølvreflektorer, simulerer den den dobbelte lysabsorption af tapetum lucidum. 

Ifølge den nye forskning, da den blev testet ved at pege på et skjult museformet objekt på forskellige afstande, lykkedes det enheden at skelne formen trods camouflage. 

Det er dog ikke fejlfrit. Den menneskeskabte billedsensor er ikke så skarp som den, katte naturligt besidder. Kattens øjekamera har en spalte‑lignende pupil, hvilket betyder, at den har et reduceret synsfelt. For at overvinde denne begrænsning foreslår ingeniørerne enheder, der bruger dette kamera til at efterligne kattens hoved‑ og skuldermuskler for fuld kattelignende bevægelsesduplikering. 

Dette er ikke første gang, forskere har ladet sig inspirere af naturen. Biologisk inspireret teknologi er meget populær og udbredt. Selv linser er blevet skabt på denne måde ved at udnytte blæksprutte‑, elefant‑næse‑fisk‑ og mantis‑reje‑biologi. Katteøjne, i særdeleshed, lover store fordele under mørke forhold og “potentiale for at lette udrulning af mobile robotter til en række utraditionelle robotapplikationer ved at erstatte mennesker” i overvågningsrobotter, ubemandede køretøjer og militære droner, bemærkede studiet. 

For et par måneder siden tog en anden forsker en ny fuld‑optisk tilgang for at forbedre infrarød vision, hvilket revolutionerer natvisionsteknologien. Til dette har Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta‑Optical Systems (TMOS) skabt et ekstremt tyndt infrarødt filter. 

Da det er tyndere end et stykke plastfolie, kan det endda placeres på toppen af brillerne, så brugeren kan se både infrarødt og synligt lys samtidigt. Den nye teknologi vil reducere vægten af teknologien betydeligt, til under et gram. 

Med sådanne fordele kan den resulterende teknologi finde betydelige muligheder inden for biologisk billed‑overvågning og autonom navigation. 

For den forskning brugte teamet upconversion‑teknologi baseret på metasurface for at give en lettere vej til behandling af lys‑fotoner. Her rejser fotonerne gennem en resonant metasurface, hvor de blandes med en pump‑stråle. 

Brugen af en ikke‑lokal lithium‑niobat‑metasurface forstærker fotonernes energi og, i stedet for først at konvertere dem til elektroner, trækker de dem direkte ind i det synlige lysspektrum. Dette eliminerer behovet for kryogen køling, hvilket reducerer ‘støj’ for skarpere billeder i konventionel NV, og kan som følge heraf afslutte de tunge briller. 

“Dette er den første demonstration af høj‑opløsnings‑up‑conversion‑billeddannelse fra 1550‑nm infrarødt til synligt 550‑nm lys i en ikke‑lokal metasurface.” 

– Rocio Camacho Morales, studiets forfatter 

Om beslutningen om at anvende disse bølgelængder bemærkede Camacho, at 1550 nm normalt bruges til telekommunikation, mens det menneskelige øje er meget følsomt over for den anden. I deres fremtidige forskning vil teamet udvide bølgelængde‑området, som enheden er følsom over for, med målet om “at opnå bredbånds‑IR‑billeddannelse samt udforske billedbehandling, herunder kant‑detektion.” 

Virksomheder, der Fremmer NV‑Teknologien

I natvisions‑teknologiens verden hjælper virksomheder som L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) og Leonardo med at drive feltet fremad. 

Blandt disse er L3Harris en stor aktør inden for forsvar og luftfart og producerer avancerede natvisionsbriller og -systemer til militæret og politiet. BAE Systems udvikler også natvision‑ og infrarød billedteknologi til militære anvendelser, ligesom Leonardo, hvis natvisionsudstyr – herunder billedforstærkere og termiske billedsystemer – betjener forsvars‑, sikkerheds‑ og luftfartssektorerne. 

Derefter er der FLIR Systems, nu en del af Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), som producerer termisk billed‑ og infrarøde kameraer, der anvendes i natvisionssystemer på tværs af forskellige sektorer. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) er især kendt for at producere infrarøde og termiske billedsystemer, som er afgørende for NV‑kapaciteter i militæret og luftfartssektoren. 

Lad os nu se nærmere på de virksomheder, der hjælper med at fremme teknologien: 

#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN) 

En nøglespiller i fremme af natvisionsteknologi, Kopin specialiserer sig i udvikling af mikro‑displays og bærbare teknologier, herunder heads‑up‑displays (HUD’er), som er afgørende komponenter i moderne NV‑systemer. 

I maj sikrede virksomheden en kontrakt fra en ukendt forsvarskunde for at udvikle et lav‑latens digitalt natvisionssystem, der integrerer deres OLED‑mikrodisplay‑teknologi. Analoge NV‑briller har været brugt i militære operationer i over to årtier. Ved at udnytte effektive digitale sensorer og avancerede OLED‑mikrodisplays sigter det nye projekt mod at forbedre NV‑kapaciteter med et fuldt digitalt system. Denne integration reducerer også størrelsen og projektionen af natvisionsenheder, hvilket forbedrer deres operationelle effektivitet. 

Med en markedsværdi på 74,23 millioner USD handles virksomhedens aktier i øjeblikket til 0,65 USD, et fald på 69,77 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på -0,40 og en P/E (TTM) på -1,53. For Q2 2024 rapporterede Kopin en omsætning på 12,3 millioner USD, en stigning på 18 % i forhold til samme kvartal sidste år. Produktomsætningen steg med 84 %, hvor omsætningen fra forsvarsprodukter steg med 5,4 mln USD og industriprodukt‑omsætningen steg med 0,3 mln USD. Omkostningerne til produkt‑omsætning udgjorde 8,7 millioner USD, svarende til 79 % af netto‑produkt‑omsætning, ned fra 95 % i 2Q23. I løbet af kvartalet var nettotabet (5,9) millioner USD eller (0,05) USD pr. aktie. 

Ifølge administrerende direktør Michael Murray:

“(Fem nye kunder har afgivet udviklingsordrer, hvilket giver) betydelige multi‑million‑dollar‑pr.‑år produktionsindtægtsmuligheder i fremtiden.” 

Han delte yderligere, at han blev tildelt design, udvikling og produktion af US‑Army’s Next Generation‑Short Range Interceptor (NG‑SRI) system, som starter i 2027. Andre kontrakter omfatter forskning i optiske tilgange til Visual Augmentation Systems for US‑Army samt udvikling af en metode til at reducere størrelse og vægt af optik, der kræves i avancerede sensorsystemer for US‑Navy. 

#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)

Dette forsvarsfirma er involveret i udvikling af avancerede natvisionsbriller, termiske billedsystemer og andre elektro‑optiske systemer til både militære og civile formål. 

Denne måned underskrev Elbit Systems (ESLT ) en kontrakt på 28 mln USD med US‑Army for yderligere hjelm‑monterede, AN/PVS‑14 monokulære natvisionsenheder, der gør soldater i stand til hurtigt at bevæge sig om natten. Enheden indeholder en infrarød belysningsenhed og høj‑forstørrelseslinser, som kan fange klare billeder i svagt lys og op til 150 meter væk. Denne aftale følger en kontrakt på 12 mln USD, som virksomheden indgik for at levere et ubestemt antal AN/PVS‑14‑enheder til hæren. Før dette, i 2021, havde hæren og Elbit også en aftale på 54 mln USD for de samme enheder. 

Med en markedsværdi på 8,5 mia. USD handles virksomhedens aktier til 192,24 USD, et fald på 9,85 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 5,44, en P/E (TTM) på 35,35 og en udbytte‑afkast på 1,04 %. For Q2 2024 rapporterede Elbit en omsætning på 1,6 mia. USD, GAAP‑nettoresultat på 78 mio. USD, Non‑GAAP‑nettoresultat på 93 mio. USD og en ordre‑backlog på 21,1 mia. USD. Pengestrømmen for de seks måneder, der sluttede den 30. juni 2024, var 26,0 mio. USD, ned fra 210,7 mio. USD registreret ved udgangen af første halvdel sidste år på grund af en stigning i lagre og tilgodehavender. 

Om virksomhedens 12 % år‑til‑år stigning i omsætning sagde administrerende direktør Bezhalel (Butzi) Machlis:

“Den kontinuerlige høje efterspørgsel efter vores produkter og løsninger styrker vores position som brancheledere.” 

Konklusion

Natvisionsteknologi har vokset eksponentielt i de senere år og tilbyder fordele som øget kompakthed, reduceret strømforbrug og forbedret billedklarhed. Udviklingen af tynde OLED‑baserede enheder, kat‑inspirerede kameraer og avancerede metasurfaces understreger vigtigheden af fortsat forskning for at opnå endnu bedre resultater, hvilket kan udvide de potentielle anvendelser af natvision yderligere, herunder at hjælpe os med at opnå en dybere forståelse af verden omkring os. 

Klik her for at lære, hvordan infrarøde kvante‑dot‑partikler kan hjælpe os med at bygge næste‑generations billedteknikker.