Informatique
Révolutionner la vision nocturne : les OLED ouvrent la voie à des solutions légères et high-tech
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Vous êtes-vous déjà demandé si ces lunettes de vision nocturne dans les films fonctionnent ? Pouvez‑vous vraiment voir dans le noir ? Eh bien, la réponse est oui—elles fonctionnent, vous permettant de voir dans l’obscurité. Cela est rendu possible grâce à la technologie de vision nocturne. Mais comment cela fonctionne‑t‑il ?
Tout d’abord, nous devons comprendre que la quantité d’énergie d’une onde lumineuse est liée à sa longueur d’onde. Si une longueur d’onde est plus courte, elle possède plus d’énergie, et inversement.
Dans la lumière visible, le rouge possède le moins d’énergie, tandis que le violet en a le plus. La lumière infrarouge, en revanche, comprend le proche infrarouge (near‑IR) avec des longueurs d’onde de 0,7-1,3 microns, le moyen infrarouge (mid‑IR) avec des longueurs d’onde entre 1,3 et 3 microns, et l’infrarouge thermique (thermal‑IR) avec des longueurs d’onde de 3 microns à plus de 30 microns.
Contrairement au Near‑IR et au mid‑IR, qui sont utilisés par divers appareils électroniques, le thermal‑IR est émis par un objet plutôt que réfléchi par celui‑ci.
Ainsi, la technologie de vision nocturne permet de voir dans le noir en amplifiant la lumière disponible ou en détectant le rayonnement infrarouge. Les appareils de vision nocturne capturent des photons de lumière et les amplifient pour créer une image visible ou détectent le rayonnement infrarouge émis par les objets et le convertissent en image visible.
Les équipements de vision nocturne—y compris les lunettes, les lunettes de vision nocturne et les caméras—sont couramment utilisés dans le domaine militaire, la surveillance, la navigation, les forces de l’ordre, la chasse, l’observation de la faune, la détection d’objets cachés et la sécurité.
Porté par cette demande croissante dans diverses applications et les avancées technologiques, la taille du marché des dispositifs de vision nocturne est projected destinée à passer de $8.68 bln en 2024 à $12.74 bln d’ici 2029.
Nouvelle découverte: OLED ultra‑mince pour une vision nocturne compacte et légère
Dans ce contexte, des chercheurs de l’Université du Michigan ont créé un nouveau type d’OLED qui est plus fin qu’une feuille de papier et pourrait remplacer les lunettes de vision nocturne encombrantes par des lunettes légères. Cela pourrait rendre les lunettes NV moins chères et plus pratiques pour une utilisation prolongée.
Source: University of Michigan
Les diodes électroluminescentes organiques, ou OLED, sont parmi les dispositifs électroniques organiques les plus réussis et dominent le marché des écrans mobiles. Elles s’étendent également aux secteurs automobile, aux appareils portables et à un large éventail d’applications d’éclairage. Les écrans de smartphones, comme ceux de l’iPhone, utilisent ce type de lumière.
Dans ce contexte, l’étude a présenté une nouvelle classe de dispositifs organiques d’émission de lumière affichant une bistabilité grâce à un rétro‑action photonique positive entre une photodiode organique et un OLED en tandem intégré dans la même pile de couches.
Financé par la DARPA, la recherche a été réalisée en collaboration avec le contractant aérospatial et de défense RTX et OLEDWorks, une entreprise qui fabrique des produits d’éclairage OLED. OLEDWorks et l’Université Penn State, où l’étude a débuté avant que son auteur correspondant, Chris Giebink, ne déménage à l’Université du Michigan, travaillent actuellement à breveter la technologie.
Les systèmes de vision nocturne conventionnels reposent sur des intensificateurs d’image pour amplifier la lumière entrante. Le nouveau dispositif OLED fait de même—convertissant le proche IL en lumière visible puis l’amplifiant plus de 100 fois. Cependant, le dispositif OLED réalise tout cela sans la haute tension, le poids et la couche à vide encombrante nécessaires aux intensificateurs d’image traditionnels. Pour obtenir une forte amplification, les chercheurs se sont plutôt concentrés sur l’optimisation du design du dispositif.
Selon Giebink, professeur à l’Université du Michigan d’ingénierie électrique, informatique et physique, une caractéristique fascinante de la nouvelle approche est que la lumière est amplifiée au sein d’une pile de films minces, d’épaisseur inférieure à un micron (0.001 mm) épais. Cela est bien plus fine qu’un cheveu unique, qui a une épaisseur d’environ 50 microns.
En fonctionnant à une tension beaucoup plus basse qu’un intensificateur d’image conventionnel, le dispositif réduit la consommation d’énergie, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.
Techniquement, le dispositif OLED novateur fonctionne en combinant une couche d’absorption de photons avec une pile d’OLED à cinq couches. La couche d’absorption de photons convertit le IL en électrons, tandis que la couche OLED convertit les électrons en photons de lumière visible.
Idéalement, cinq photons sont générés pour chaque électron qui traverse la pile OLED. Certains de ces photons sont émis vers l’œil de l’utilisateur, tandis que d’autres sont réabsorbés dans la couche d’absorption de photons.
De cette façon, le système génère encore plus d’électrons qui de nouveau traversent à nouveau l’OLED, créant un cycle de rétroaction positive qui augmente considérablement la quantité de lumière de sortie résultant d’une quantité donnée de lumière d’entrée.
Bien que les OLED dans les tentatives précédentes aient pu convertir la lumière proche infrarouge en lumière visible, aucun gain n’a été observé. Cela signifie que nous n’obtenons qu’un photon de sortie pour un photon d’entrée. Selon l’auteur principal de l’étude, Raju Lampande, chercheur postdoctoral à l’Université du Michigan en ingénierie électrique et informatique:
« Ceci marque la première démonstration d’un gain élevé de photons dans un dispositif à film mince. »
Mais ce n’est pas la fin des capacités de ce dispositif. Il présente en fait un comportement de mémoire qui peut avoir des applications même dans les systèmes de vision par ordinateur. Ce comportement s’appelle l’hystérésis, où la sortie lumineuse à un moment donné dépend de l’intensité et de la durée de l’illumination d’entrée passée.
Ainsi, dans un geste « inhabituel », le nouveau dispositif OLED reste allumé et se souvient des choses au fil du temps. Cela est différent de la situation normale où l’OLED d’upconversion commence à émettre de la lumière lorsqu’il est éclairé, pour s’arrêter lorsque l’illumination est éteinte.
Le comportement de mémoire du dispositif présente certains défis pour les applications de vision nocturne, mais il pourrait créer une opportunité de traitement d’image qui fonctionne davantage comme le système visuel humain. Dans ce système, les neurones biologiques transmettent des signaux en fonction du timing et de la force des signaux entrants.
La capacité du nouvel OLED à se souvenir des entrées passées pourrait également le rendre utile pour certains types de connexions de type neuronal. Ces connexions permettent à une image d’entrée d’être interprétée et classée sans traiter les données dans une unité de calcul séparée.
Le dispositif OLED a été fabriqué par les chercheurs en utilisant des matériaux et des méthodes déjà largement employés dans la fabrication d’OLED. En tant que tel, il a le potentiel d’être utilisé à court terme dans de nouveaux types d’affichages et d’applications d’imagerie d’upconversion, ainsi que d’offrir une nouvelle plateforme pour la reconnaissance d’images et l’optoélectronique neuromorphique.
L’utilisation de matériaux et de processus existants déjà disponibles peut également améliorer de manière significative la rentabilité et l’évolutivité de la technologie pour les applications futures.
Autres innovations en vision nocturne
Parmi les innovations en cours dans le domaine de la vision nocturne, récemment, une équipe d’ingénieurs s’est inspirée des systèmes optiques des chats pour développer un nouveau type de caméra capable de capturer des images dans l’obscurité. Le dispositif peut également voir à travers le camouflage, ce qui le rend utile dans des applications à longue portée telles que les drones militaires.
Ainsi, les yeux d’un chat brillent dans une pièce sombre, ce qui se produit parce que l’œil félin possède un tapetum lucidum, une structure qui reflète la lumière. La rétine de l’œil du chat n’absorbe pas seulement la lumière qui le frappe directement, mais aussi celle reflétée par le tapetum lucidum, ce qui donne aux chats une vision nocturne améliorée.
Ce n’est pas tout. Les yeux des chats domestiques possèdent une autre caractéristique, une pupille verticale, courante chez les prédateurs embusqués de petite taille. Cette pupille verticale offre aux petits félins une perception de profondeur améliorée. Ces pupilles les aident à se concentrer sur leur cible tout en filtrant le désordre en arrière-plan.
Ainsi, pour recréer ces structures, des ingénieurs de différentes universités sud-coréennes, dirigés par Young Min Song, professeur à l’Institut de science et technologie de Gwangju, ont fabriqué une ouverture de caméra verticale. Lorsqu’elle est combinée à une matrice de photodétecteurs en silicium avec des réflecteurs argentés, elle a simulé la double absorption de lumière du tapetum lucidum.
Selon la nouvelle recherche, lorsqu’il a été testé en pointant sur un objet en forme de souris dissimulé à différentes distances, le dispositif a réussi à distinguer la forme malgré le camouflage.
Cependant, ce n’est pas sans erreur. Le fabriqué par l’homme capteur d’image n’est pas aussi aigu que celui que les chats possèdent naturellement. Les pupilles en forme de fente de la caméra à yeux de chat signifient qu’elle a un champ de vision réduit. Pour surmonter cette limitation, les ingénieurs proposent des dispositifs utilisant cette caméra pour imiter la tête et les muscles des épaules du chat afin de reproduire pleinement les mouvements du chat.
Ce n’est pas la première fois que les chercheurs s’inspirent de la nature. La technologie inspirée biologiquement est très populaire et courante. Même des lentilles ont été créées de cette manière, en utilisant la biologie du seiche, du poisson-nez d’éléphant et du crevette-mante. Les yeux de chat, en particulier, promettent des performances dans des conditions sombres et « potentiel de faciliter le déploiement de robots mobiles dans une variété d’applications robotiques non conventionnelles en remplaçant les humains » dans les robots de surveillance, sans pilote véhicules, et les drones militaires, a noté l’étude.
Il y a quelques mois, un autre enseignant a adopté une nouvelle approche entièrement optique pour améliorer la vision infrarouge, révolutionnant la technologie de vision nocturne. Pour cela, le Centre d’excellence du Conseil de recherche australien pour les systèmes méta‑optiques transformateurs (TMOS) a créé un filtre infrarouge extrêmement fin.
Étant plus fin qu’un morceau de film plastique, il peut même se placer sur les lunettes, permettant à l’utilisateur de voir simultanément le spectre infrarouge et le spectre visible. La nouvelle technologie réduirait le poids de la technologie de manière substantielle, à moins d’un gramme.
Avec de tels avantages, la technologie résultante peut trouver d’importantes opportunités dans la surveillance d’imagerie biologique et les industries de navigation autonome.
Pour la recherche, l’équipe a utilisé la technologie d’upconversion basée sur une métasurface pour offrir une voie plus simple au traitement des photons lumineux. Ici, les photons traversent une métasurface résonante, se mélangeant à un faisceau de pompage.
L’utilisation d’une métasurface de niobate de lithium non locale augmente l’énergie des photons et, au lieu de les convertir d’abord en électrons, les fait passer dans le spectre visible. Cela élimine le besoin de refroidissement cryogénique, réduisant ainsi le « bruit » pour des images plus nettes en vision nocturne conventionnelle et, par conséquent, peut mettre fin à l’encombrement de ces lunettes.
« Ceci est la première démonstration d’imagerie d’up‑conversion haute résolution de l’infrarouge de 1550 nm au visible de 550 nm dans une métasurface non locale. »
– Rocio Camacho Morales, l’auteur de l’étude
En parlant de la décision d’utiliser ces longueurs d’onde, Camacho a noté que le 1550 nm est généralement utilisé pour les télécommunications tandis que les yeux humains sont très sensibles à l’autre. Dans leurs recherches futures, l’équipe élargira la gamme de longueurs d’onde auxquelles le dispositif est sensible dans le but d’« obtenir une imagerie IR à large bande, ainsi que d’explorer le traitement d’image, y compris la détection de contours ».
Entreprises faisant progresser la technologie NV
Dans le monde de la technologie de vision nocturne, des entreprises comme L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) et Leonardo contribuent à faire avancer le domaine.
Parmi elles, L3Harris est un acteur majeur dans la défense et l’aérospatiale, produisant des lunettes de vision nocturne avancées et des systèmes pour militaires et forces de l’ordre. BAE Systems développe également des technologies de vision nocturne et d’imagerie infrarouge pour les applications militaires, similaire à Leonardo, dont l’équipement de vision nocturne—y compris les intensificateurs d’image et les systèmes d’imagerie thermique—sert les secteurs de la défense, de la sécurité et de l’aérospatiale.
Ensuite, il y a FLIR Systems, désormais intégré à Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), qui produit des caméras d’imagerie thermique et infrarouge utilisées dans les systèmes de vision nocturne à travers divers secteurs. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) est particulièrement connue pour produire des systèmes d’imagerie infrarouge et thermique, essentiels aux capacités NV dans les secteurs militaire et aéronautique.
Maintenant, examinons de plus près les entreprises qui aident à faire progresser la technologie:
#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN)
Un acteur clé dans l’avancement de la technologie de vision nocturne, Kopin se spécialise dans le développement de micro‑affichages et de technologies portables, y compris les affichages tête haute (HUD), qui sont des composants cruciaux des systèmes NV modernes.
En mai, l’entreprise a obtenu un contrat d’un client de défense non identifié pour développer un système de vision nocturne numérique à faible latence incorporant sa technologie de micro‑affichage OLED. Les lunettes NV analogiques sont utilisées dans les opérations militaires depuis plus de deux décennies. En tirant parti de capteurs numériques efficaces et de micro‑affichages OLED avancés, le nouveau projet vise à améliorer les capacités NV avec un système entièrement numérique. Cette intégration réduit également la taille et la projection des dispositifs de vision nocturne, améliorant leur efficacité opérationnelle.
KOPN Graphique du prix
Avec une capitalisation boursière de $74.23 million, les actions de la société se négocient actuellement à $0.65, en baisse de 69.77% YTD. Elle affiche un BPA (TTM) de -0.40 et un PER (TTM) de -1.53. Pour le deuxième trimestre 2024, Kopin a déclaré un chiffre d’affaires de $12.3 million, soit une hausse de 18% par rapport au même trimestre de l’année précédente. Le chiffre d’affaires produit YoY a bondi de 84%, les revenus des produits de défense augmentant de $5.4mln et les revenus des produits industriels augmentant de $0.3mln. Le coût des revenus produits s’est élevé à $8.7 million, soit 79% des revenus nets produits, en baisse par rapport à 95% au 2Q23. Au cours du trimestre, la perte nette était de ($5.9) million ou ($0.05) par action.
Selon le PDG Michael Murray:
“(Cinq nouveaux clients ont passé des commandes de développement, offrant) d’importantes opportunités de revenus de production de plusieurs millions de dollars par an à l’avenir.”
Il a ajouté qu’il avait obtenu la conception, le développement et la production du système Intercepteur à courte portée de prochaine génération (NG‑SRI) de l’armée américaine, qui débutera en 2027. D’autres contrats concernent la recherche d’approches optiques pour les systèmes d’augmentation visuelle de l’armée américaine et la création d’une méthode pour réduire la taille et le poids des optiques nécessaires aux systèmes de capteurs avancés de la marine américaine.
#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)
Cette entreprise de défense est impliquée dans le développement de lunettes de vision nocturne avancées, de systèmes d’imagerie thermique et d’autres systèmes électro‑optiques pour les usages militaires et civils.
Ce mois-ci, Elbit Systems (ESLT ) a signé un contrat de $28mln avec l’armée américaine pour des dispositifs de vision nocturne monoculaires AN/PVS-14 supplémentaires montés sur casque, permettant aux soldats de se déplacer rapidement la nuit. Le dispositif intègre un illuminateur infrarouge et des lentilles à fort grossissement pour capturer des images nettes en conditions de faible luminosité et jusqu’à 150 mètres. Ce contrat fait suite à un contrat de $12mln que l’entreprise avait signé pour fournir un nombre non divulgué de dispositifs AN/PVS-14 à l’armée. Auparavant, en 2021 également, l’armée et Elbit avaient conclu un accord de $54mln pour les mêmes dispositifs.
ESLT Graphique du prix
Avec une capitalisation boursière de $8.5 bln, les actions de l’entreprise se négocient à $192.24, en baisse de 9.85% YTD. Elle affiche un BPA (TTM) de 5.44, un PER (TTM) de 35.35, et un rendement du dividende de 1.04%. Pour le deuxième trimestre 2024, Elbit a déclaré un chiffre d’affaires de 1,6 milliard de dollars, un bénéfice net GAAP de $78 million, un bénéfice net Non‑GAAP de $93 million, et un carnet de commandes de $21.1 bln. Le flux de trésorerie pour les six mois se terminant le 30 juin 2024 était de $26.0 million, en baisse par rapport aux $210.7 million enregistrés à la fin du premier semestre de l’année précédente en raison d’une augmentation des stocks et des créances commerciales.
En parlant de l’augmentation de 12% du chiffre d’affaires YoY de l’entreprise, son PDG Bezhalel (Butzi) Machlis a déclaré:
« La demande continue et élevée pour nos produits et solutions renforce notre position de leader de l’industrie. »
Conclusion
La technologie de vision nocturne a connu une croissance exponentielle ces dernières années, offrant des avantages tels qu’une plus grande compacité, une consommation d’énergie réduite et une meilleure clarté d’image. Le développement de dispositifs minces basés sur les OLED, de caméras inspirées des chats et de métasurfaces avancées souligne l’importance de la recherche continue pour obtenir des résultats encore meilleurs, ce qui peut élargir davantage les applications potentielles de la vision nocturne, y compris nous aider à mieux comprendre le monde qui nous entoure.
