Electrónica
Revolucionando la visión nocturna: los OLED allanan el camino para soluciones ligeras y de alta tecnología
¿Alguna vez te has preguntado si esas gafas de visión nocturna en las películas funcionan? ¿Realmente puedes ver en la oscuridad? Bueno, la respuesta es sí—funcionan, permitiéndote ver en la oscuridad. Esto es posible gracias a la tecnología de visión nocturna. ¿Pero cómo funciona?
Primero, debemos entender que la cantidad de energía en una onda de luz está relacionada con su longitud de onda. Si una longitud de onda es más corta, tiene más energía, y viceversa.
En la luz visible, el rojo tiene la menor energía, mientras que el violeta tiene la mayor. La luz infrarroja, por otro lado, incluye el infrarrojo cercano (near-IR) con longitudes de onda en el rango de 0,7-1,3 micrones, el infrarrojo medio (mid-IR) con longitudes de onda entre 1,3 y 3 micrones, y el infrarrojo térmico (thermal-IR) con rangos de longitud de onda de 3 micrones a más de 30 micrones.
A diferencia del near-IR y del mid-IR, que se utilizan por varios dispositivos electrónicos, el thermal-IR es emitido por un objeto en lugar de ser reflejado por él.
Así, la tecnología de visión nocturna permite ver en la oscuridad ya sea amplificando la luz disponible o detectando radiación infrarroja. Los dispositivos de visión nocturna capturan fotones de luz y los amplifican para crear una imagen visible o detectan la radiación infrarroja emitida por los objetos y la convierten en una imagen visible.
El equipo de visión nocturna—incluyendo visores, gafas y cámaras—se utiliza comúnmente en el ámbito militar, de vigilancia, navegación, aplicación de la ley, caza, observación de vida silvestre, detección de objetos ocultos y seguridad.
Impulsado por esta creciente demanda en diversas aplicaciones y los avances tecnológicos, el tamaño del mercado de dispositivos de visión nocturna está proyectado a crecer de $8.68 mil millones en 2024 a $12.74 mil millones para 2029.
Nuevo descubrimiento: OLED ultrafino para visión nocturna compacta y ligera
En medio de esto, los investigadores de la Universidad de Michigan han creado un nuevo tipo de OLED que es más delgado que el papel y que potencialmente puede reemplazar las voluminosas gafas de visión nocturna con gafas ligeras. Esto podría hacer que las gafas de visión nocturna sean más baratas y más prácticas para un uso prolongado.
Fuente: University of Michigan
Los diodos emisores de luz orgánicos, o OLEDs, están entre los dispositivos electrónicos orgánicos más exitosos y dominan el mercado de pantallas móviles. También se están expandiendo al sector automotriz, dispositivos portátiles y una amplia gama de aplicaciones de iluminación. Las pantallas de smartphones, como las del iPhone, utilizan este tipo de luz.
En este contexto, el estudio presentó una nueva clase de dispositivos emisores de luz orgánica que muestran biestabilidad debido a una retroalimentación fotónica positiva entre un fotodiodo orgánico y un OLED en tándem integrado en la misma pila de capas.
Financiado por DARPA, la investigación se realizó en colaboración con el contratista aeroespacial y de defensa RTX y OLEDWorks, una empresa que fabrica productos de iluminación OLED. OLEDWorks y la Universidad Estatal de Pensilvania, donde se originó el estudio antes de que su autor correspondiente, Chris Giebink, se trasladara a la U-M., están trabajando actualmente en patentar la tecnología.
Los sistemas convencionales de visión nocturna dependen de intensificadores de imagen para amplificar la luz entrante. El nuevo dispositivo OLED también hace eso—convirtiendo luz infrarroja cercana (near-IL) en luz visible y luego amplificándola más de 100 veces. Sin embargo, el dispositivo OLED lo logra sin el alto voltaje, peso y la capa de vacío incómoda que requieren los intensificadores de imagen tradicionales. Para lograr una alta amplificación, los investigadores se centraron en optimizar el diseño del dispositivo.
Según Giebink, profesor de ingeniería eléctrica y de computación y física en la U-M, una característica fascinante del nuevo enfoque es que la luz se amplifica dentro de una pila de película delgada, de menos de un micrón (0,001 mm) de espesor. Esto es mucho más delgado que una sola hebra de cabello, que tiene un grosor de aproximadamente 50 micrones.
Al operar a un voltaje mucho más bajo que un intensificador de imagen convencional, el dispositivo reduce el consumo de energía, lo que a su vez prolonga la vida de la batería.
Técnicamente, el novedoso dispositivo OLED funciona combinando una capa absorbente de fotones con una pila de OLEDs de cinco capas. La capa absorbente de fotones convierte la luz infrarroja (IL) en electrones, mientras que la capa OLED convierte los electrones en fotones de luz visible.
Idealmente, se generan cinco fotones por cada electrón que atraviesa la pila de OLED. Algunos de estos fotones se emiten al ojo del usuario, mientras que otros son reabsorbidos de nuevo en la capa absorbente de fotones.
De esta manera, el sistema sigue generando más electrones que nuevamente se desplazan a través del OLED, creando un ciclo de retroalimentación positiva que aumenta enormemente la cantidad de luz de salida resultante de una cantidad dada de luz de entrada.
Aunque los OLEDs en intentos anteriores han podido convertir luz infrarroja cercana en luz visible, no hubo ganancia. Esto significa que obtuvimos solo un fotón de salida por cada fotón de entrada. Según el autor principal del estudio, Raju Lampande, investigador postdoctoral de la U-M en ingeniería eléctrica y de computación:
“Esto marca la primera demostración de alta ganancia de fotones en un dispositivo de película delgada.”
Pero este no es el límite de las capacidades de este dispositivo. En realidad muestra un comportamiento de memoria que puede tener aplicaciones incluso en sistemas de visión por computadora. Este comportamiento se llama histéresis, donde la salida de luz en un momento dado depende de la intensidad y duración de la iluminación de entrada pasada.
Así, en un movimiento “inusual”, el nuevo dispositivo OLED permanece encendido y recuerda cosas con el tiempo. Esto es diferente a la situación normal en la que el OLED de conversión ascendente comienza a emitir luz cuando se ilumina, solo para dejar de hacerlo cuando la iluminación se apaga.
El comportamiento de memoria del dispositivo presenta algunos desafíos para aplicaciones de visión nocturna, pero podría crear una oportunidad para el procesamiento de imágenes que funcione más como el sistema visual humano. En ese sistema, las neuronas biológicas transmiten señales dependiendo del momento y la fuerza de las señales entrantes.
La capacidad del nuevo OLED de recordar entradas pasadas también podría hacerlo útil para ciertos tipos de conexiones similares a neuronas. Estas conexiones permiten que una imagen de entrada sea interpretada y clasificada sin procesar los datos en una unidad de cálculo separada.
El dispositivo OLED fue fabricado por los investigadores utilizando materiales y métodos ya ampliamente usados en la fabricación de OLEDs. Como tal, tiene potencial para un uso a corto plazo en nuevos tipos de pantallas y aplicaciones de imágenes de conversión ascendente, así como ofrecer una nueva plataforma para reconocimiento de imágenes y optoelectrónica neuromórfica.
Utilizar materiales y procesos ya disponibles también puede mejorar significativamente la rentabilidad y escalabilidad de la tecnología para aplicaciones futuras.
Otras innovaciones en visión nocturna
Entre las innovaciones en curso en el campo de la visión nocturna, recientemente, un equipo de ingenieros se inspiró en los sistemas ópticos de los gatos para desarrollar un nuevo tipo de cámara que puede capturar imágenes en la oscuridad. El dispositivo también puede ver a través del camuflaje, lo que lo hace útil en aplicaciones de largo alcance como drones militares.
Así, los ojos de los gatos brillan en una habitación oscura, lo que ocurre porque el ojo felino posee tapetum lucidum, una estructura que refleja la luz. La retina del ojo del gato no solo absorbe la luz que incide directamente, sino también la que es reflejada por el tapetum lucidum, proporcionando a los gatos una visión nocturna mejorada.
Esto no es todo. Los ojos de los gatos domésticos tienen otra característica, una pupila vertical, común en depredadores emboscadores de pequeño tamaño corporal. Lo que hace esta pupila vertical es proporcionar a los felinos pequeños una percepción de profundidad mejorada. Estas pupilas les ayudan a enfocarse en su objetivo mientras filtran el desorden del fondo.
Así, para redevelopar estas estructuras, ingenieros de diferentes universidades surcoreanas, liderados por Young Min Song, profesor del Instituto de Ciencia y Tecnología de Gwangju, fabricaron una apertura de cámara vertical. Cuando se combinó con una matriz de fotodetectores de silicio con reflectores de plata, simuló la doble absorción de luz del tapetum lucidum.
Según la nueva investigación, al probar apuntando a un objeto con forma de ratón oculto a varias distancias, el dispositivo logró distinguir la forma a pesar del camuflaje.
Sin embargo, no está libre de errores. El sensor de imagen artificial no es tan agudo como el que los gatos poseen de forma natural. Las pupilas tipo rendija de la cámara de ojo de gato significan que tiene un campo de visión reducido. Para superar esta limitación, los ingenieros proponen dispositivos que usan esta cámara para imitar la cabeza y los músculos del hombro del gato, logrando una duplicación completa del movimiento del gato.
Esto no es la primera vez que los investigadores se inspiran en la naturaleza. La tecnología inspirada biológicamente es muy popular y común. Incluso se han creado lentes de esta manera, utilizando la biología de los sepias, los peces nariz de elefante y los camarones mantis. Los ojos de los gatos, en particular, prometen aplicaciones en condiciones oscuras y “potencial para facilitar el despliegue de robots móviles en una variedad de aplicaciones de robots no convencionales al reemplazar a los humanos” en robots de vigilancia, vehículos no tripulados y drones militares, señaló el estudio.
Hace unos meses, otro investigador adoptó un nuevo enfoque totalmente óptico para mejorar la visión infrarroja, revolucionando la tecnología de visión nocturna. Para ello, el Centro de Excelencia del Consejo de Investigación Australiano para Sistemas Meta-Ópticos Transformadores (TMOS) creó un filtro infrarrojo extremadamente delgado.
Al ser más delgado que una lámina de film transparente, puede incluso colocarse sobre las gafas, permitiendo al usuario ver simultáneamente el espectro infrarrojo y el visible. La nueva tecnología reduciría el peso de la tecnología sustancialmente, a menos de un gramo.
Con tales beneficios, la tecnología resultante puede encontrar oportunidades significativas en la vigilancia de imágenes biológicas y en las industrias de navegación autónoma.
Para la investigación, el equipo utilizó tecnología de conversión ascendente basada en metasuperficie para proporcionar una vía más fácil para procesar fotones de luz. Aquí, los fotones viajan a través de una metasuperficie resonante, mezclándose con un haz de bombeo.
El uso de una metasuperficie de niobato de litio no local mejora la energía de los fotones y, en lugar de convertirlos primero en electrones, los lleva al espectro de luz visible. Esto elimina la necesidad de refrigeración criogénica, reduciendo así el ‘ruido’ para obtener imágenes más nítidas en la visión nocturna convencional y, como resultado, puede poner fin a la voluminosidad de estas gafas.
“Esta es la primera demostración de imágenes de conversión ascendente de alta resolución de 1550 nm infrarrojo a 550 nm luz visible en una metasuperficie no local.”
– Rocío Camacho Morales, autora del estudio
Hablando sobre la decisión de usar estas longitudes de onda, Camacho señaló que los 1550 nm se usan normalmente para telecomunicaciones mientras que los ojos humanos son altamente sensibles a los otros. En su futura investigación, el equipo ampliará el rango de longitudes de onda al que el dispositivo es sensible con el objetivo de “obtener imágenes IR de banda ancha, así como explorar el procesamiento de imágenes, incluida la detección de bordes”.
Empresas que impulsan la tecnología de visión nocturna
En el mundo de la tecnología de visión nocturna, empresas como L3Harris Technologies (NYSE: LHX), BAE Systems (OTC: BAESY) y Leonardo están ayudando a avanzar el sector.
Entre ellas, L3Harris es un actor importante en defensa y aeroespacial, produciendo gafas y sistemas avanzados de visión nocturna para militares y fuerzas del orden. BAE Systems también desarrolla tecnologías de visión nocturna e imágenes infrarrojas para aplicaciones militares, similar a Leonardo, cuyo equipo de visión nocturna—incluidos intensificadores de imagen y sistemas de imágenes térmicas—sirve a los sectores de defensa, seguridad y aeroespacial.
Luego está FLIR Systems, ahora parte de Teledyne Technologies (NYSE: TDY), que produce cámaras de imágenes térmicas e infrarrojas usadas en sistemas de visión nocturna en varios sectores. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) es particularmente conocida por producir sistemas de imágenes infrarrojas y térmicas, esenciales para las capacidades de visión nocturna en los sectores militar y de aviación.
Ahora, profundicemos en las empresas que ayudan a avanzar la tecnología:
#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN)
Un actor clave en el avance de la tecnología de visión nocturna, Kopin se especializa en desarrollar microdisplays y tecnologías portátiles, incluidos los HUD (head-up displays), que son componentes cruciales de los sistemas modernos de visión nocturna.
En mayo, la empresa obtuvo un contrato de un cliente de defensa no identificado para desarrollar un sistema de visión nocturna digital de baja latencia que incorpore su tecnología de microdisplay OLED. Las gafas de visión nocturna analógicas se han usado en operaciones militares durante más de dos décadas. Al aprovechar sensores digitales eficientes y microdisplays OLED avanzados, el nuevo proyecto busca mejorar las capacidades de visión nocturna con un sistema totalmente digital. Esta integración también reduce el tamaño y la proyección de los dispositivos de visión nocturna, mejorando su eficiencia operativa.
(KOPN )
Con una capitalización de mercado de $74.23 millones, las acciones de la compañía cotizan actualmente a $0.65, con una caída del 69.77% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de -0.40 y un P/E (TTM) de -1.53. Para el segundo trimestre de 2024, Kopin reportó $12.3 millones en ingresos, un aumento del 18% respecto al mismo trimestre del año anterior. Los ingresos de productos año tras año aumentaron un 84%, con ingresos de productos de defensa que crecieron $5.4 mln y un aumento de $0.3 mln en los ingresos de productos industriales. El costo de los ingresos de productos ascendió a $8.7 millones, lo que representa el 79% de los ingresos netos de productos, una disminución del 95% en el 2T23. Durante el trimestre, la pérdida neta fue de ($5.9) millones o ($0.05) por acción.
Según el CEO Michael Murray:
“(Cinco nuevos clientes han realizado pedidos de desarrollo, proporcionando) oportunidades de ingresos de producción multimillonarios por año en el futuro.”
También compartió que le fue adjudicado el diseño, desarrollo y producción del sistema Interceptor de corto alcance de próxima generación del Ejército de EE. UU. (NG‑SRI), que comenzará en 2027. Otros contratos incluyen la investigación de enfoques ópticos para Sistemas de Aumento Visual para el Ejército de EE. UU. y la creación de una forma de reducir el tamaño y peso de la óptica necesaria en sistemas de sensores avanzados para la Marina de EE. UU.
#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)
Esta empresa de defensa está involucrada en el desarrollo de gafas avanzadas de visión nocturna, sistemas de imágenes térmicas y otros sistemas electro‑ópticos tanto para usos militares como civiles.
Este mes, Elbit Systems firmó un contrato de $28 mln con el Ejército de EE. UU. para dispositivos monoculares de visión nocturna AN/PVS-14 montados en casco, que permiten a los soldados moverse rápidamente de noche. El dispositivo incorpora un iluminador infrarrojo y lentes de alta magnificación para capturar imágenes claras en condiciones de poca luz y a distancias de hasta 150 metros. Este acuerdo sigue a un contrato de $12 mln que la compañía firmó para suministrar un número no revelado de dispositivos AN/PVS-14 al ejército. Antes de eso, en 2021 también, el ejército y Elbit tuvieron un acuerdo de $54 mln para los mismos dispositivos.
(ESLT )
Con una capitalización de mercado de $8.5 mil millones, las acciones de la compañía cotizan a $192.24, con una caída del 9.85% en lo que va del año. Tiene un EPS (TTM) de 5.44, un P/E (TTM) de 35.35 y un rendimiento de dividendo del 1.04%. Para el segundo trimestre de 2024, Elbit reported un ingreso de $1.6 mil millones, ingreso neto GAAP de $78 millones, ingreso neto Non‑GAAP de $93 millones, y una cartera de pedidos de $21.1 mil millones. El flujo de efectivo para los seis meses que terminaron el 30 de junio de 2024 fue de $26.0 millones, una disminución respecto a los $210.7 millones registrados al final del primer semestre del año pasado debido a un aumento en inventarios y cuentas por cobrar.
Hablando del aumento del 12 % interanual en los ingresos de la compañía, su CEO Bezhalel (Butzi) Machlis dijo:
“La demanda continua y alta de nuestros productos y soluciones refuerza nuestra posición como líderes de la industria.”
Conclusión
La tecnología de visión nocturna ha crecido exponencialmente en los últimos años, ofreciendo beneficios como mayor compacidad, menor consumo de energía y mejor claridad de imagen. El desarrollo de dispositivos delgados basados en OLED, cámaras inspiradas en gatos y metasuperficies avanzadas destaca la importancia de la investigación continua para lograr resultados aún mejores, lo que puede ampliar aún más las aplicaciones potenciales de la visión nocturna, incluida la ayuda para comprender más profundamente el mundo que nos rodea.
