Revolutionaire Nachtzicht: OLED’s Baanbreken de Weg voor Lichtgewicht, High-Tech Oplossingen

Heb je je ooit afgevraagd of die nachtzichtbrillen in films werken? Kun je echt zien in het donker? Wel, het antwoord is ja—ze werken, waardoor je in het donker kunt zien.Dit wordt mogelijk gemaakt door nachtzichttechnologie. Maar hoe werkt het? 

Ten eerste moeten we begrijpen dat de hoeveelheid energie in een lichtgolf gerelateerd is aan de golflengte. Als een golflengte korter is, heeft deze meer energie, en omgekeerd. 

In zichtbaar licht heeft rood de minste energie, terwijl violet de meeste heeft. Infrarood licht daarentegen omvat nabij-infrarood (near-IR) met golflengtes in het bereik van 0.7-1.3 micron, midden-infrarood (mid-IR) met golflengtes tussen 1.3 en 3 micron, en thermisch infrarood (thermal-IR) met golflengtes van 3 micron tot meer dan 30 micron.

In tegenstelling tot Near-IR en mid-IR, die worden gebruikt door verschillende elektronische apparaten, wordt thermisch-IR uitgestraald door een object in plaats van ervan gereflecteerd. 

Dus nachtzichttechnologie maakt zicht in het donker mogelijk door ofwel beschikbaar licht te versterken of infrarode straling te detecteren. Nachtzichtapparaten vangen fotonen van licht op en versterken ze om een zichtbaar beeld te creëren, of detecteren infrarode straling die door objecten wordt uitgezonden en zetten deze om in een zichtbaar beeld. 

Nachtzichtapparatuur—waaronder scopes, brillen en camera’s—wordt veel gebruikt in het leger, bewaking, navigatie, wetshandhaving, jacht, wildobservatie, detectie van verborgen objecten en beveiliging.

Gedreven door deze groeiende vraag in verschillende toepassingen en technologische vooruitgang, wordt de marktgrootte van nachtzichtapparaten geprojecteerd naar $8.68 bln in 2024 tot $12.74 bln in 2029.

Nieuwe ontdekking: Papierdunne OLED voor Compacte, Lichtgewicht NV

Te midden hiervan, onderzoekers van de University of Michigan hebben een nieuw type OLED gecreëerd dat dunner is dan papier en potentieel zware nachtzichtbrillen kan vervangen door lichtgewicht brillen. Dit zou NV-brillen goedkoper en praktischer kunnen maken voor langdurig gebruik.

Bron: University of Michigan

Organische lichtemitterende diodes, of OLED’s, behoren tot de meest succesvolle organische elektronische apparaten en domineren de mobiele displaymarkt. Ze breiden zich ook uit naar de auto-industrie, draagbare apparaten en een breed scala aan verlichtingsapplicaties. Smartphone-schermen, zoals die in de iPhone, gebruiken dit type licht.

Tegen deze achtergrond introduceerde de studie een nieuwe klasse organische lichtemitterende apparaten die bistabiliteit vertonen dankzij positieve fotonische feedback tussen een organische fotodiode en een tandem-OLED geïntegreerd in dezelfde laagstapel. 

Gefinancierd door DARPA, het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met lucht- en ruimtevaart- en defensiecontractor RTX en OLEDWorks, een bedrijf dat OLED-verlichtingsproducten vervaardigt. OLEDWorks en Penn State University, waar de studie oorspronkelijk begon voordat de corresponderende auteur, Chris Giebink, naar U-M verhuisde, werken momenteel aan het patenteren van de technologie.

Conventionele nachtzichtsystemen vertrouwen op beeldversterkers om het binnenkomende licht te versterken. Het nieuwe OLED-apparaat doet dat ook—het zet nabij-IL om in zichtbaar licht en versterkt het vervolgens meer dan 100x. Echter, het OLED-apparaat doet dit alles zonder de hoge spanning, het gewicht en de onhandige vacuümlaag die nodig zijn in traditionele beeldversterkers. Om een hoge versterking te bereiken, richtten de onderzoekers zich in plaats daarvan op het optimaliseren van het ontwerp van het apparaat.

Volgens Giebink, professor in elektrotechniek, computer engineering en natuurkunde aan de U-M, is een fascinerend kenmerk van de nieuwe benadering dat het licht wordt versterkt binnen een dunne filmlaag, minder dan een micron (0.001 mm) dik. Dit is veel dunner dan een enkel haar, dat een dikte heeft van ongeveer 50 micron.

Door te werken op een veel lagere spanning dan een conventionele beeldversterker, vermindert het apparaat het energieverbruik, waardoor de batterijduur wordt verlengd.

Technisch gezien werkt het nieuwe OLED-apparaat door een foton-absorberende laag te combineren met een stapel van OLED’s met vijf lagen. De foton-absorberende laag zet IL om in elektronen, terwijl de OLED-laag de elektronen omzet in zichtbare lichtfotonen. 

Ideaal gezien worden er vijf fotonen gegenereerd voor elke elektron die door de OLED-stapel gaat. Sommige van deze fotonen worden uitgezonden naar het oog van de gebruiker, terwijl andere opnieuw worden geabsorbeerd terug in de foton-absorberende laag.

Op deze manier genereert het systeem nog meer elektronen die opnieuw door de OLED bewegen, waardoor een positieve feedbacklus ontstaat die de hoeveelheid uitgangslicht sterk vergroot ten opzichte van een gegeven hoeveelheid invoerlicht.

Hoewel OLED’s in eerdere pogingen in staat waren om nabij-infrarood licht om te zetten in zichtbaar licht, was er geen winst. Dit betekent dat we slechts één uitgangsfoton kregen van één invoerfoton. Volgens de hoofd auteur van de studie, Raju Lampande, postdoc onderzoeker aan de U-M in elektrotechniek en computer engineering:

Dit markeert de eerste demonstratie van hoge fotonwinst in een dunne filmapparaat.

Maar dit is niet het einde van de mogelijkheden van dit apparaat. Het toont eigenlijk een geheugenwerking die zelfs toepassingen kan hebben in computersystemen voor beeldherkenning. Dit gedrag wordt hysterese genoemd, waarbij de lichtuitvoer op een bepaald moment afhangt van de intensiteit en duur van eerdere invoerbelichting.

Dus, in een “ongewone” zet, blijft het nieuwe OLED-apparaat aan en onthoudt het dingen over tijd. Dit is anders dan de normale situatie waarbij de upconversion OLED begint met het uitstralen van licht wanneer het wordt verlicht, maar stopt wanneer de verlichting wordt uitgeschakeld.

Het geheugen van het apparaat brengt enkele uitdagingen met zich mee voor NV-toepassingen, maar het kan een kans bieden voor beeldverwerking die meer lijkt op het menselijke visuele systeem. In dat systeem geven biologische neuronen signalen door afhankelijk van de timing en sterkte van binnenkomende signalen. 

Het vermogen van de nieuwe OLED om eerdere invoer te onthouden kan het ook nuttig maken voor bepaalde soorten neuron-achtige verbindingen. Deze verbindingen maken het mogelijk een invoerbeeld te interpreteren en te classificeren zonder de gegevens in een aparte rekeneenheid te verwerken.

De OLED-apparaat werd vervaardigd door de onderzoekers met materialen en methoden die al breed worden gebruikt in OLED-fabricage. Hierdoor heeft het potentieel voor kortetermijngebruik in nieuwe soorten display- en upconversion-beeldtoepassingen, evenals het bieden van een nieuw platform voor beeldherkenning en neuromorfe opto-elektronica.

Het benutten van bestaande materialen en processen die al beschikbaar zijn, kan ook de kosteneffectiviteit en schaalbaarheid van de technologie voor toekomstige toepassingen aanzienlijk verbeteren.

Andere Nachtzichtinnovaties

Onder de lopende innovaties op het gebied van NV, heeft een team ingenieurs recent inspiratie gehaald uit de optische systemen van katten om een nieuw type camera te ontwikkelen dat beelden in het donker kan vastleggen. Het apparaat kan ook door camouflage heen kijken, waardoor het nuttig is voor toepassingen op lange afstand, zoals militaire drones.

Dus, de ogen van een kat gloeien in een donkere kamer, wat gebeurt omdat het kattenoog een tapetum lucidum heeft, een structuur die licht weerkaatst. Het netvlies van het kattenoog absorbeert niet alleen direct licht, maar ook het licht dat door het tapetum lucidum wordt weerkaatst, waardoor katten een verbeterd nachtzicht hebben.

Dit is niet alles. De ogen van huiskatten hebben nog een eigenschap, een verticale pupil, gebruikelijk bij hinderlaagroofdieren met een klein lichaam. Deze verticale pupil geeft kleine katachtigen een verbeterde dieptewaarneming. Deze pupillen helpen hen zich op hun doel te focussen terwijl ze de rommel op de achtergrond filteren. 

Dus, om deze structuren opnieuw te ontwikkelen, hebben ingenieurs van verschillende Zuid-Koreaanse universiteiten, geleid door Young Min Song, een professor aan het Gwangju Institute of Science and Technology,, een verticale camerapupil gefabriceerd. Wanneer gecombineerd met een silicium-fotodetectorarray met zilveren reflectoren, simuleerde het de dubbele lichtabsorptie van het tapetum lucidum.

Volgens het nieuwe onderzoek, toen getest door te richten op een verborgen muisvormig object op verschillende afstanden, onderscheidde het apparaat met succes de vorm ondanks de camouflage.

Echter, het is niet foutloos. De kunstmatig gemaakte beeldsensor is niet zo scherp als die die katten van nature bezitten. De spleetachtige pupillen van de kattenoogcamera betekenen dat hij een verminderd gezichtsveld heeft. Om deze beperking te overwinnen, stellen de ingenieurs apparaten voor die deze camera gebruiken om de kop- en schouderspieren van de kat na te bootsen voor een volledige duplicatie van de kattengedraging.

Dit is niet de eerste keer dat onderzoekers inspiratie uit de natuur halen. Biologisch geïnspireerde technologie is enorm populair en gangbaar. Zelfs lenzen zijn op deze manier gecreëerd, gebruikmakend van de biologie van inktvissen, olifantneusvissen en mantisgarnaal. De ogen van katten, in het bijzonder, bieden veelbelovend potentieel voor donkere omstandigheden en “potentieel om de inzet van mobiele robots in diverse onconventionele robottoepassingen te vergemakkelijken door mensen te vervangen” in bewakingsrobots, onbemande voertuigen en militaire drones, stelde de studie.

Een paar maanden geleden nam een andere onderzoeker een nieuwe volledig optische benadering om infraroodzicht te verbeteren, waardoor de nachtzichttechnologie wordt gerevolutioneerd. Hiervoor heeft het Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) een extreem dun infraroodfilter gecreëerd.

Omdat het dunner is dan een stuk huishoudfolie, kan het zelfs op de bril worden geplaatst, waardoor de drager zowel het infrarood- als het zichtbare lichtspectrum tegelijkertijd kan zien. De nieuwe technologie zou het gewicht van de technologie aanzienlijk verminderen, tot minder dan een gram.

Met zulke voordelen kan de resulterende technologie aanzienlijke kansen vinden in de biologische beeldbewaking en autonome navigatie-industrieën.

Voor het onderzoek gebruikte het team upconversion-technologie gebaseerd op metasurface om een eenvoudigere route te bieden voor het verwerken van lichtfotonen. Hier reizen de fotonen door een resonante metasurface, waarbij ze zich mengen met een pompbundel.

Het gebruik van een niet-lokale lithiumniobaat-metasurface verhoogt de energie van fotonen en, in plaats van ze eerst om te zetten in elektronen, trekt ze naar het zichtbare lichtspectrum. Dit elimineert de noodzaak voor cryogene koeling, waardoor de ‘ruis’ voor scherpere beelden in conventionele NV wordt verminderd en, als gevolg daarvan, een einde kan maken aan de omvang van deze brillen. 

Dit is de eerste demonstratie van hoog-resolutie up-conversie beeldvorming van 1550-nm infrarood naar zichtbaar 550-nm licht in een niet-lokale metasurface.

– Rocio Camacho Morales, de auteur van de studie

Over de keuze voor deze golflengtes zei Camacho dat 1550 nm meestal wordt gebruikt voor telecommunicatie, terwijl het menselijk oog zeer gevoelig is voor de andere. In hun toekomstig onderzoek zal het team het golflengtebereik waar het apparaat gevoelig voor is uitbreiden met het doel “breedband IR-beelden verkrijgen, evenals het verkennen van beeldverwerking, inclusief randdetectie”.

Bedrijven die de NV-technologie vooruit helpen

In de wereld van nachtzichttechnologie helpen bedrijven zoals L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) en Leonardo de sector vooruit te brengen.

Onder deze bedrijven is L3Harris een belangrijke speler in defensie en lucht- en ruimtevaart, die geavanceerde nachtzichtbrillen en -systemen produceert voor militair en wetshandhaving. BAE Systems ontwikkelt ook nachtzicht- en infraroodbeeldtechnologieën voor militaire toepassingen, vergelijkbaar met Leonardo, wiens nachtzichtapparatuur—waaronder beeldversterkers en thermische beeldsystemen—de defensie-, beveiligings- en lucht- en ruimtevaartsectoren bedient.

Dan is er FLIR Systems, nu onderdeel van Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), dat thermische beeldvorming en infraroodcamera’s produceert die in nachtzichtsystemen in diverse sectoren worden gebruikt. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) staat vooral bekend om de productie van infrarood- en thermische beeldsystemen, die essentieel zijn voor NV-capaciteiten in militaire en luchtvaartsectoren.

Laten we nu dieper ingaan op de bedrijven die de technologie vooruit helpen:

#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN) 

Een belangrijke speler in de vooruitgang van nachtzichttechnologie, Kopin specialiseert zich in de ontwikkeling van microdisplays en draagbare technologieën, inclusief heads-up displays (HUD’s), die cruciale componenten zijn van moderne NV-systemen. 

In mei heeft het bedrijf een contract binnengehaald van een niet-gespecificeerde defensieklant om een low-latency digitaal nachtzichtsysteem te ontwikkelen dat hun OLED-microdisplaytechnologie integreert. Analoge NV-brillen worden al meer dan twee decennia in militaire operaties gebruikt. Door efficiënte digitale sensoren en geavanceerde OLED-microdisplays te benutten, streeft het nieuwe project ernaar de NV-capaciteiten te verbeteren met een volledig digitaal systeem. Deze integratie verkleint ook de omvang en projectie van nachtzichtapparaten, waardoor hun operationele efficiëntie verbetert.

Met een marktkapitalisatie van $74.23 miljoen, worden de aandelen van het bedrijf momenteel verhandeld tegen $0.65, een daling van 69.77% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van -0.40 en een P/E (TTM) van -1.53. Voor Q2 van 2024 rapporteerde Kopin $12.3 miljoen aan omzet, een stijging van 18% ten opzichte van hetzelfde kwartaal vorig jaar. De YoY productomzet steeg met 84%, met omzet uit defensieproducten die een toename van $5.4mln zag en een $0.3mln toename in industriële productomzet. De kosten van productomzet kwamen ondertussen uit op $8.7 miljoen, wat 79% van de netto productomzet is, een daling van 95% in 2Q23. Tijdens het kwartaal bedroeg het nettoverlies ($5.9) miljoen of ($0.05) per aandeel.

Volgens CEO Michael Murray:

“(Vijf nieuwe klanten hebben ontwikkelingsorders geplaatst, wat) aanzienlijke multi-miljoen dollar per jaar productie-omzetkansen in de toekomst biedt.”

Hij deelde verder mee dat hij het ontwerp, de ontwikkeling en de productie van het Next Generation-Short Range Interceptor (NG-SRI) systeem van het Amerikaanse leger heeft gewonnen, dat in 2027 van start gaat. Andere contracten omvatten onderzoek naar optische benaderingen voor Visual Augmentation Systems voor het Amerikaanse leger en het creëren van een manier om de grootte en het gewicht van optiek die nodig is in geavanceerde sensorsystemen voor de Amerikaanse marine te verminderen.

#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)

Dit defensiebedrijf is betrokken bij de ontwikkeling van geavanceerde nachtzichtbrillen, thermische beeldsystemen en andere elektro-optische systemen voor zowel militaire als civiele toepassingen.

Deze maand heeft Elbit Systems (ESLT ) een contract van $28 mln getekend met het Amerikaanse leger voor extra helm-gemonteerde, AN/PVS-14 monocale nachtzichtapparaten die soldaten in staat stellen snel te bewegen ‘s nachts. Het apparaat bevat een infraroodverlichter en hoogvergrotingslenzen om duidelijke beelden vast te leggen onder weinig licht en tot op 150 meter afstand. Deze deal volgt op een contract van $12 mln dat het bedrijf ondertekende voor de levering van een niet-gespecificeerd aantal AN/PVS-14 apparaten aan het leger. Daarvoor had het leger in 2021 ook een deal van $54 mln met Elbit voor dezelfde apparaten.

Met een marktkapitalisatie van $8.5 miljard, worden de aandelen van het bedrijf verhandeld tegen $192.24, een daling van 9.85% YTD. Het heeft een EPS (TTM) van 5.44, een P/E (TTM) van 35.35, en een dividendrendement van 1.04%. Voor Q2 2024, Elbitrapporteerde een omzet van $1.6 miljard, GAAP nettowinst van $78 miljoen, Non-GAAP nettowinst van $93 miljoen, en een order backlog van $21.1 miljard. De cashflow voor de zes maanden eindigend op 30 juni 2024 bedroeg $26.0 miljoen, een daling ten opzichte van $210.7 miljoen die werd geregistreerd aan het einde van de eerste helft van vorig jaar vanwege een toename van voorraden en handelsvorderingen.

Over de 12% YoY stijging in omzet van het bedrijf, zei CEO Bezhalel (Butzi) Machlis:

“De voortdurende hoge vraag naar onze producten en oplossingen versterkt onze positie als marktleiders.”

Conclusie

Nachtzichttechnologie is de afgelopen jaren exponentieel gegroeid, met voordelen zoals verhoogde compactheid, verminderd energieverbruik en verbeterde beeldhelderheid. De ontwikkeling van dunne OLED-gebaseerde apparaten, op katten geïnspireerde camera’s en geavanceerde metasurfaces benadrukt het belang van voortgezet onderzoek om nog betere resultaten te behalen, wat de potentiële toepassingen van nachtzicht verder kan uitbreiden, inclusief het helpen ons een dieper begrip van de wereld om ons heen te krijgen.

Klik hier om te leren hoe infrarode quantumdots ons kunnen helpen next-gen beeldvormingstechnieken te bouwen.