Revolution der Nachtsicht: OLEDs ebnen den Weg für leichte, High-Tech-Lösungen

Haben Sie sich jemals gefragt, ob diese Nachtsichtbrillen aus Filmen funktionieren? Kann man wirklich im Dunkeln sehen? Nun, die Antwort ist ja – sie funktionieren und ermöglichen das Sehen im Dunkeln. Dies ist durch Nachtsichttechnologie möglich. Aber wie funktioniert das? 

Zunächst müssen wir verstehen, dass die Energiemenge einer Lichtwelle mit ihrer Wellenlänge zusammenhängt. Ist die Wellenlänge kürzer, hat das Licht mehr Energie, und umgekehrt. 

Im sichtbaren Licht hat Rot die geringste Energie, während Violett die meiste besitzt. Infrarotlicht hingegen umfasst Nah‑Infrarot (Near‑IR) mit Wellenlängen von 0,7‑1,3 µm, Mittel‑Infrarot (Mid‑IR) mit 1,3‑3 µm und Thermisches Infrarot (Thermal‑IR) mit Wellenlängen von 3 µm bis über 30 µm.

Im Gegensatz zu Near‑IR und Mid‑IR, die von verschiedenen elektronischen Geräten genutzt werden, wird Thermal‑IR von einem Objekt selbst ausgestrahlt und nicht von ihm reflektiert. 

Nachtsichttechnologie ermöglicht also das Sehen im Dunkeln, indem entweder das vorhandene Licht verstärkt oder Infrarotstrahlung erkannt wird. Nachtsichtgeräte erfassen Lichtphotonen und verstärken sie, um ein sichtbares Bild zu erzeugen, oder sie detektieren von Objekten ausgestrahlte Infrarotstrahlung und wandeln sie in ein sichtbares Bild um. 

Nachtsichtausrüstung – darunter Zielfernrohre, Brillen und Kameras – wird häufig im Militär, in der Überwachung, Navigation, Strafverfolgung, Jagd, Tierbeobachtung, bei der Erkennung versteckter Objekte und in der Sicherheit eingesetzt.

Angetrieben durch die wachsende Nachfrage in verschiedenen Anwendungsbereichen und technologische Fortschritte, wird die Marktgröße von Nachtsichtgeräten voraussichtlich von 8,68 Mrd. $ im Jahr 2024 auf 12,74 Mrd. $ bis 2029 steigen.

Neue Entdeckung: Papierdünnes OLED für kompakte, leichte NV

Im Zuge dessen haben Forscher der University of Michigan eine neue Art von OLED entwickelt, die dünner als Papier ist und potenziell sperrige Nachtsichtbrillen durch leichte Brillen ersetzen könnte. Dies könnte NV‑Brillen günstiger und praktischer für den langfristigen Einsatz machen.

Source: University of Michigan

Organische Leuchtdioden, kurz OLEDs, gehören zu den erfolgreichsten organischen Elektronikgeräten und dominieren den Markt für mobile Displays. Sie finden zudem Anwendung in der Automobilindustrie, bei Wearables und in einer breiten Palette von Beleuchtungsanwendungen. Smartphone‑Bildschirme, wie die im iPhone, nutzen diese Technologie.

Vor diesem Hintergrund stellte die Studie eine neue Klasse organischer Leuchtdioden vor, die aufgrund positiven photonischen Feedbacks zwischen einer organischen Fotodiode und einem Tandem‑OLED im selben Schichtstapel bistabil ist. 

Finanziert von DARPA, wurde die Forschung in Zusammenarbeit mit dem Luft‑ und Raumfahrt‑ sowie Rüstungsauftragnehmer RTX und OLEDWorks, einem Unternehmen, das OLED‑Beleuchtungsprodukte herstellt, durchgeführt. OLEDWorks und die Penn State University, wo die Studie ursprünglich entstand, bevor ihr korrespondierender Autor Chris Giebink an die U‑M wechselte, arbeiten derzeit an der Patentierung der Technologie.

Konventionelle Nachtsichtsysteme basieren auf Bildverstärkern, die das einfallende Licht verstärken. Das neue OLED‑Gerät tut das ebenfalls – es wandelt Near‑IR in sichtbares Licht um und verstärkt es dann um das 100‑fache. Allerdings erledigt das OLED‑Gerät dies komplett ohne die hohen Spannungen, das Gewicht und die umständliche Vakuumschicht, die in traditionellen Bildverstärkern nötig sind. Um eine hohe Verstärkung zu erreichen, konzentrierten die Forscher stattdessen auf die Optimierung des Gerätedesigns.

Laut Giebink, Professor für Elektrotechnik, Informatik und Physik an der U‑M, ist ein faszinierendes Merkmal des neuen Ansatzes, dass das Licht innerhalb eines dünnen Films gestapelt und dabei weniger als ein Mikrometer (0,001 mm) dick ist, verstärkt wird. Das ist deutlich dünner als ein einzelnes Haar, das etwa 50 µm dick ist.

Durch den Betrieb bei wesentlich geringerer Spannung als ein konventioneller Bildverstärker reduziert das Gerät den Stromverbrauch, was wiederum die Batterielaufzeit verlängert.

Technisch gesehen funktioniert das neuartige OLED‑Gerät, indem es eine photonabsorbierende Schicht mit einem Stapel aus fünf OLED‑Schichten kombiniert. Die photonabsorbierende Schicht wandelt IR‑Licht in Elektronen um, während die OLED‑Schicht die Elektronen in sichtbare Lichtphotonen konvertiert. 

Idealerweise werden für jedes durch den OLED‑Stapel gehende Elektron fünf Photonen erzeugt. Einige dieser Photonen gelangen zum Auge des Benutzers, andere werden wieder in die photonabsorbierende Schicht zurückgeführt.

Auf diese Weise erzeugt das System weiterhin mehr Elektronen, die erneut durch den OLED fließen und einen positiven Rückkopplungszyklus erzeugen, der die Menge des Ausgangslichts bei gegebener Eingangslichtmenge stark erhöht.

Während OLEDs in früheren Versuchen bereits Nah‑Infrarot in sichtbares Licht umwandeln konnten, gab es keinen Gewinn. Das bedeutet, dass wir nur ein Ausgangsphoton pro Eingangsphoton erhalten haben. Laut dem leitenden Autor der Studie, Raju Lampande, Post‑Doc‑Forschungsstipendiat an der U‑M:

„Dies ist die erste Demonstration eines hohen Photonengewinns in einem Dünnschicht‑Gerät.“

Aber das ist nicht das Ende der Fähigkeiten dieses Geräts. Es zeigt tatsächlich ein Gedächtnisverhalten, das sogar in Computer‑Vision‑Systemen Anwendung finden kann. Dieses Verhalten wird Hysterese genannt, bei dem die Lichtausgabe zu einem bestimmten Zeitpunkt von der Intensität und Dauer der vorherigen Beleuchtung abhängt.

In einer „ungewöhnlichen“ Vorgehensweise bleibt das neue OLED‑Gerät also eingeschaltet und „erinnert“ sich über die Zeit. Das ist anders als die übliche Situation, bei der das Up‑Conversion‑OLED Licht ausgibt, sobald es beleuchtet wird, und aufhört, wenn die Beleuchtung abgeschaltet wird.

Das Gedächtnisverhalten des Geräts stellt einige Herausforderungen für NV‑Anwendungen dar, könnte jedoch eine Chance für Bildverarbeitung bieten, die dem menschlichen visuellen System ähnlicher ist. In diesem System leiten biologische Neuronen Signale abhängig von Zeitpunkt und Stärke eingehender Signale weiter. 

Die Fähigkeit des neuen OLEDs, vergangene Eingaben zu „erinnern“, könnte es zudem für bestimmte neuron‑ähnliche Verbindungen nützlich machen. Diese Verbindungen ermöglichen es, ein Eingabebild zu interpretieren und zu klassifizieren, ohne die Daten in einer separaten Recheneinheit zu verarbeiten.

Das OLED‑Gerät wurde von den Forschern unter Verwendung von Materialien und Verfahren hergestellt, die bereits in der OLED‑Fertigung weit verbreitet sind. Damit hat es das Potenzial für eine kurzfristige Nutzung in neuen Display‑ und Up‑Conversion‑Imaging‑Anwendungen, sowie für eine neue Plattform für Bilderkennung und neuromorphe Optoelektronik.

Die Nutzung bereits vorhandener Materialien und Prozesse kann zudem die Kosten‑ und Skalierbarkeitsvorteile der Technologie für zukünftige Anwendungen erheblich verbessern.

Weitere Innovationen im Bereich Nachtsicht

Unter den laufenden Innovationen im NV‑Bereich hat kürzlich ein Ingenieurteam Inspiration aus den optischen Systemen von Katzen gezogen und eine neue Kameratechnologie entwickelt, die Bilder im Dunkeln aufnehmen kann. Das Gerät kann zudem durch Tarnungen hindurchsehen, was es für weitreichende Anwendungen wie militärische Drohnen nützlich macht.

Die Augen von Katzen leuchten in einem dunklen Raum, weil das felinen Auge ein Tapetum lucidum besitzt, eine Struktur, die Licht reflektiert. Die Netzhaut der Katze absorbiert nicht nur das direkt auftreffende Licht, sondern auch das vom Tapetum lucidum reflektierte Licht, wodurch Katzen ein verbessertes Nachtsichtvermögen erhalten.

Das ist jedoch nicht alles. Die Augen von Hauskatzen besitzen zudem eine vertikale Pupille, ein Merkmal, das bei kleinen, lauernden Raubtieren verbreitet ist. Diese vertikale Pupille verleiht kleinen Feliden ein verbessertes Tiefenempfinden. Sie hilft ihnen, ihr Ziel zu fokussieren und gleichzeitig Hintergrundgeräusche zu filtern. 

Um diese Strukturen nachzubilden, haben Ingenieure verschiedener südkoreanischer Universitäten, geleitet von Young Min Song, Professor am Gwangju Institute of Science and Technology, eine vertikale Kamera‑Blende gefertigt. In Kombination mit einem Silizium‑Photodetektor‑Array mit silbernen Reflektoren simulierte sie die doppelte Lichtabsorption des Tapetum lucidum.

Laut der neuen Forschung, die durch das Zeigen auf ein verdecktes, mausförmiges Objekt in verschiedenen Entfernungen getestet wurde, konnte das Gerät die Form trotz Tarnung erfolgreich erkennen.

Allerdings ist es nicht fehlerfrei. Der künstlich hergestellte Bildsensor ist nicht so scharf wie der, den Katzen von Natur aus besitzen. Die schlitzförmigen Pupillen der Katzen‑Kamera bedeuten ein eingeschränktes Sichtfeld. Um diese Einschränkung zu überwinden, schlagen die Ingenieure Geräte vor, die diese Kamera nutzen, um den Kopf und die Schultermuskulatur der Katze zu imitieren und so die gesamte Katzenbewegung zu duplizieren.

Dies ist nicht das erste Mal, dass Forscher Inspiration aus der Natur ziehen. Biologisch inspirierte Technologie ist äußerst populär und verbreitet. Sogar Linsen wurden auf diese Weise entwickelt, indem die Biologie von Tintenfischen, Elefantenrüsselfischen und Gottesanbeterinnen genutzt wurde. Besonders die Augen von Katzen halten viel Versprechen für dunkle Bedingungen und „das Potenzial, den Einsatz mobiler Roboter in einer Vielzahl unkonventioneller Roboteranwendungen zu erleichtern, indem Menschen in Überwachungsrobotern, unbemannten Fahrzeugen und militärischen Drohnen ersetzt werden“, so die Studie.

Vor einigen Monaten entwickelte ein anderer Forscher einen rein optischen Ansatz zur Verbesserung der Infrarotsicht und revolutionierte damit die Nachtsichttechnologie. Dafür hat das Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta‑Optical Systems (TMOS) einen extrem dünnen Infrarotfilter geschaffen. 

Da er dünner ist als ein Stück Frischhaltefolie, kann er sogar auf Brillen aufgesetzt werden, sodass der Träger gleichzeitig das Infrarot‑ und das sichtbare Lichtspektrum sehen kann. Die neue Technologie würde das Gewicht der Technik erheblich reduzieren, auf weniger als ein Gramm.

Mit solchen Vorteilen kann die resultierende Technologie bedeutende Chancen in den Bereichen biologische Bildgebung, Überwachung und autonome Navigation finden.

Für die Forschung nutzte das Team Up‑Conversion‑Technologie basierend auf Metasurfaces, um einen einfacheren Weg für die Verarbeitung von Lichtphotonen zu bieten. Hier reisen die Photonen durch eine resonante Metasurface und vermischen sich mit einem Pumpstrahl.

Der Einsatz einer nicht‑lokalen Lithiumniobat‑Metasurface erhöht die Energie der Photonen und zieht sie, anstatt sie zuerst in Elektronen zu konvertieren, direkt in das sichtbare Lichtspektrum. Dies eliminiert die Notwendigkeit einer kryogenen Kühlung und reduziert somit das „Rauschen“ für schärfere Bilder in herkömmlichen NV‑Systemen, wodurch die Sperrigkeit dieser Brillen beendet werden könnte. 

„Dies ist die erste Demonstration hochauflösender Up‑Conversion‑Bildgebung von 1550‑nm‑Infrarot zu sichtbarem 550‑nm‑Licht in einer nicht‑lokalen Metasurface.“

– Rocio Camacho Morales, Studienautorin

Zum Thema der Wahl dieser Wellenlängen bemerkte Camacho, dass 1550 nm üblicherweise für die Telekommunikation verwendet wird, während das menschliche Auge für das andere Spektrum besonders empfindlich ist. In ihrer zukünftigen Forschung wird das Team das Wellenlängenspektrum, auf das das Gerät empfindlich reagiert, erweitern, um „breitbandige IR‑Bildgebung zu erhalten und Bildverarbeitung, einschließlich Kantenerkennung, zu erforschen.“

Unternehmen, die die NV‑Technologie vorantreiben

In der Welt der Nachtsichttechnologie tragen Unternehmen wie L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) und Leonardo dazu bei, den Bereich voranzubringen.

Unter ihnen ist L3Harris ein wichtiger Akteur in Verteidigung und Luft‑ und Raumfahrt und produziert fortschrittliche Nachtsichtbrillen und -systeme für Militär und Strafverfolgung. BAE Systems entwickelt ebenfalls Nachtsicht‑ und Infrarot‑Bildgebungstechnologien für militärische Anwendungen, ähnlich wie Leonardo, dessen Nachtsichtausrüstung – einschließlich Bildverstärker und Thermalkameras – den Verteidigungs-, Sicherheits‑ und Luft‑ und Raumfahrtsektor bedient.

Dann gibt es FLIR Systems, jetzt Teil von Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), das thermische Bildgebung und Infrarotkameras herstellt, die in Nachtsichtsystemen verschiedener Sektoren eingesetzt werden. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) ist besonders bekannt für die Produktion von Infrarot‑ und Thermalkameras, die für NV‑Fähigkeiten im Militär und in der Luftfahrt unverzichtbar sind.

Nun wollen wir einen genaueren Blick auf die Unternehmen werfen, die die Technologie vorantreiben:

#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN) 

Ein wichtiger Akteur bei der Weiterentwicklung der Nachtsichttechnologie, Kopin spezialisiert sich auf die Entwicklung von Mikrodisplays und tragbaren Technologien, einschließlich Head‑up‑Displays (HUDs), die entscheidende Komponenten moderner NV‑Systeme sind. 

Im Mai sicherte sich das Unternehmen einen Auftrag von einem nicht genannten Verteidigungskunden, um ein Low‑Latency‑Digital‑Nachtsichtsystem zu entwickeln, das seine OLED‑Mikrodisplay‑Technologie integriert. Analoge NV‑Brillen werden seit über zwei Jahrzehnten in Militäroperationen eingesetzt. Durch den Einsatz effizienter digitaler Sensoren und fortschrittlicher OLED‑Mikrodisplays zielt das neue Projekt darauf ab, die NV‑Fähigkeiten mit einem vollständig digitalen System zu verbessern. Diese Integration reduziert zudem Größe und Projektion von Nachtsichtgeräten und steigert deren operative Effizienz.

Mit einer Marktkapitalisierung von 74,23 Mio. $, werden die Aktien des Unternehmens derzeit bei 0,65 $ gehandelt, ein Rückgang von 69,77 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von –0,40 und ein KGV (TTM) von –1,53 auf. Für das 2. Quartal 2024 meldete Kopin einen Umsatz von 12,3 Mio. $, ein Anstieg von 18 % gegenüber dem gleichen Quartal des Vorjahres. Der YoY‑Produktumsatz sprang um 84 %, wobei der Umsatz aus Verteidigungsprodukten um 5,4 Mio. $ und der Umsatz aus Industrieprodukten um 0,3 Mio. $ zunahm. Die Kosten der Produktumsätze beliefen sich gleichzeitig auf 8,7 Mio. $, also 79 % der Nettoproduktumsätze, gegenüber 95 % im 2. Quartal 2023. Im Quartal betrug der Nettoverlust (5,9) Mio. $ bzw. (0,05) $ pro Aktie.

Laut CEO Michael Murray:

„(Fünf neue Kunden haben Entwicklungsaufträge erteilt, was) bedeutende mehrmillionen‑Dollar‑Produktionsumsatz‑Möglichkeiten pro Jahr in der Zukunft bietet.“

Er teilte weiter mit, dass er den Entwurf, die Entwicklung und die Produktion des US‑Armee‑Next‑Generation‑Short‑Range‑Interceptor‑Systems (NG‑SRI) erhalten habe, das 2027 starten soll. Weitere Aufträge umfassen die Erforschung optischer Ansätze für Visual‑Augmentation‑Systeme der US‑Armee und die Entwicklung einer Möglichkeit, Größe und Gewicht der Optik in fortschrittlichen Sensorsystemen der US‑Marine zu reduzieren.

#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)

Dieses Rüstungsunternehmen ist an der Entwicklung fortschrittlicher Nachtsichtbrillen, Thermalkameras und anderer elektro‑optischer Systeme für militärische und zivile Anwendungen beteiligt.

In diesem Monat unterzeichnete Elbit Systems (ESLT ) einen Vertrag über 28 Mio. $ mit der US‑Armee für zusätzliche helm‑montierte, AN/PVS‑14‑monokulare Nachtsichtgeräte, die Soldaten ermöglichen, sich nachts schnell zu bewegen. Das Gerät integriert einen Infrarot‑Illuminator und hochvergrößernde Linsen, um klare Bilder bei schwachem Licht und bis zu 150 m Entfernung zu erfassen. Dieser Deal folgt auf einen Vertrag über 12 Mio. $ für die Lieferung einer nicht genannten Anzahl von AN/PVS‑14‑Geräten an die Armee. Bereits 2021 hatte die Armee zudem einen Vertrag über 54 Mio. $ mit Elbit für dieselben Geräte.

Mit einer Marktkapitalisierung von 8,5 Mrd. $ werden die Aktien des Unternehmens bei 192,24 $ gehandelt, ein Rückgang von 9,85 % im Jahresverlauf. Das Unternehmen weist ein EPS (TTM) von 5,44, ein KGV (TTM) von 35,35 und eine Dividendenrendite von 1,04 % auf. Für das 2. Quartal 2024 meldete Elbit einen Umsatz von 1,6 Mrd. $, einen GAAP‑Netto‑Gewinn von 78 Mio. $, einen Non‑GAAP‑Netto‑Gewinn von 93 Mio. $ und einen Auftragsbestand von 21,1 Mrd. $. Der Cash‑Flow für die sechs Monate bis zum 30. Juni 2024 betrug 26,0 Mio. $, gegenüber 210,7 Mio. $ am Ende des ersten Halbjahres des Vorjahres, bedingt durch gestiegene Lagerbestände und Forderungen.

Zum 12 %igen YoY‑Umsatzwachstum sagte CEO Bezhalel (Butzi) Machlis:

„Die kontinuierlich hohe Nachfrage nach unseren Produkten und Lösungen stärkt unsere Position als Branchenführer.“

Fazit

Nachtsichttechnologie hat sich in den letzten Jahren exponentiell weiterentwickelt und bietet Vorteile wie erhöhte Kompaktheit, geringeren Stromverbrauch und verbesserte Bildklarheit. Die Entwicklung dünner OLED‑basierter Geräte, katzen‑inspirierter Kameras und fortschrittlicher Metasurfaces unterstreicht die Bedeutung fortlaufender Forschung, um noch bessere Ergebnisse zu erzielen, was die potenziellen Anwendungsbereiche der Nachtsicht weiter ausdehnen kann, einschließlich eines tieferen Verständnisses der Welt um uns herum.

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