Revolusjonerende nattsyn: OLED-er baner vei for lette, høyteknologiske løsninger

Har du noen gang lurt på om de nattsynsgogglene i filmer fungerer? Kan du virkelig se i mørket? Svaret er ja – de fungerer, og lar deg se i mørket. Dette er gjort mulig av nattsynsteknologi. Men hvordan fungerer det? 

Først må vi forstå at mengden energi i en lysbølge er relatert til bølgelengden. Hvis en bølgelengde er kortere, har den høyere energi, og omvendt. 

I synlig lys har rødt minst energi, mens fiolett har mest. Infrarødt lys, derimot, omfatter nær‑infrarødt (near‑IR) med bølgelengder i området 0,7–1,3 mikron, midt‑infrarødt (mid‑IR) med bølgelengder mellom 1,3 og 3 mikron, og termisk infrarødt (thermal‑IR) med bølgelengdeområder fra 3 mikron til over 30 mikron.

I motsetning til Near‑IR og mid‑IR, som brukes av ulike elektroniske enheter, er termisk‑IR utstedt av et objekt i stedet for å bli reflektert fra det. 

Så gjør nattsynsteknologi det mulig å se i mørket ved enten å forsterke tilgjengelig lys eller oppdage infrarød stråling. Nattsynsenheter fanger fotoner av lys og forsterker dem for å skape et synlig bilde, eller oppdager infrarød stråling som sendes ut av objekter og konverterer den til et synlig bilde. 

Nattsynsutstyr – inkludert kikkertsikt, briller og kameraer – brukes ofte i militæret, overvåkning, navigasjon, politiarbeid, jakt, dyrelivsobservasjon, oppdagelse av skjulte objekter og sikkerhet.

Drevet av den økende etterspørselen på tvers av ulike anvendelser og teknologiske fremskritt, er markedet for nattsynsenheter anslått å vokse fra $8,68 milliarder i 2024 til $12,74 milliarder innen 2029.

Ny oppdagelse: Papirtunnt OLED for kompakt, lett NV

Midt i dette har forskere fra University of Michigan har laget en ny type OLED som er tynnere enn papir og potensielt kan erstatte klumpete nattsynsgogger med lette briller. Dette kunne gjøre NV‑briller billigere og mer praktiske for langvarig bruk.

Kilde: University of Michigan

Organiske lysdioder, eller OLED-er, er blant de mest suksessrike organiske elektroniske enhetene og dominerer markedet for mobilskjermer. De utvides også til bilindustri, bærbare enheter og et bredt spekter av belysningsapplikasjoner. Smarttelefon‑skjermer, som de i iPhone, bruker denne typen lys.

Mot denne bakgrunnen introduserte studien en ny klasse av organiske lysutstrålingsenheter som viser bistabilitet på grunn av positiv fotonisk tilbakemelding mellom en organisk fotodiode og en tandem‑OLED integrert i samme lagstabel. 

Finansiert av DARPA, forskningen ble gjort i samarbeid med romfarts‑ og forsvarskontraktøren RTX og OLEDWorks, et selskap som produserer OLED‑belysningsprodukter. OLEDWorks og Penn State University, hvor studien oppsto før den tilsvarende forfatteren, Chris Giebink, flyttet til U‑M., jobber nå med å patentere teknologien.

Konvensjonelle nattsynssystemer er avhengige av bildeintensifikatorer for å forsterke innkommende lys. Den nye OLED‑enheten gjør også dette – den konverterer nær‑IL til synlig lys og forsterker det mer enn 100 ganger. Imidlertid gjør OLED‑enheten alt dette uten den høye spenningen, vekten og det upraktiske vakuumlageret som kreves i tradisjonelle bildeintensifikatorer. For å oppnå høy forsterkning fokuserte forskerne i stedet på å optimalisere enhetens design.

Ifølge Giebink, U‑M professor i elektroteknikk, datateknikk og fysikk, er en fascinerende egenskap ved den nye tilnærmingen at lyset forsterkes innenfor en tynn filmstabel, mindre enn en mikron (0,001 mm) tykk. Dette er langt tynnere enn et enkelt hårstrå, som har en tykkelse på omtrent 50 mikron.

Ved å operere ved en mye lavere spenning enn en konvensjonell bildeintensifikator, reduserer enheten strømforbruket, noe som igjen forlenger batterilevetiden.

Teknisk sett opererer den nye OLED‑enheten ved å kombinere et fotonabsorberende lag med en stabel av OLED-er med fem lag. Det fotonabsorberende laget konverterer IL til elektroner, mens OLED-laget konverterer elektronene til synlige lysfotoner. 

Ideelt sett genereres fem fotoner for hver elektron som passerer gjennom OLED‑stabelen. Noen av disse fotonene sendes til brukerens øye, mens andre blir reabsorbert tilbake inn i det fotonabsorberende laget.

På denne måten genererer systemet fortsatt flere elektroner som igjen beveger seg gjennom OLED‑en, og skaper en positiv tilbakemeldingssyklus som sterkt øker mengden utgående lys som resultat av en gitt mengde innkommende lys.

Mens OLED-er i tidligere forsøk har kunnet konvertere nær‑infrarødt lys til synlig lys, har det ikke vært noen gevinst. Dette betyr at vi kun fikk én utgående foton fra én innkommende foton. Ifølge studiens hovedforfatter, Raju Lampande, U‑M postdoktorforsker i elektroteknikk og datateknikk:

“Dette markerer den første demonstrasjonen av høy fotonforsterkning i en tynn film‑enhet.”

Men dette er ikke slutten på enhetens evner. Den viser faktisk en minneatferd som kan ha anvendelser selv i datamaskinsynssystemer. Denne atferden kalles hysterese, hvor lysutgangen på et gitt tidspunkt avhenger av intensiteten og varigheten av tidligere innkommende belysning.

Så, i et “uvanlig” trekk, forblir den nye OLED‑enheten på og husker ting over tid. Dette er ulikt den normale situasjonen der oppkonverterings‑OLED begynner å sende ut lys når den er belyst, bare for å stoppe når belysning slås av.

Enhetens minneatferd gir noen utfordringer for NV‑applikasjoner, men den kan skape en mulighet for bildebehandling som fungerer mer som det menneskelige synssystemet. I dette systemet sender biologiske nevroner signaler avhengig av tidspunktet og styrken til innkommende signaler. 

Den nye OLED‑ens evne til å huske tidligere innspill kan også gjøre den nyttig for visse typer neuronlignende forbindelser. Disse forbindelsene gjør det mulig å tolke og klassifisere et innkommende bilde uten å behandle dataene i en separat databehandlingsenhet.

Den OLED‑enheten ble fremstilt av forskerne ved bruk av materialer og metoder som allerede er mye brukt i OLED‑produksjon. Som sådan har den potensial for kortsiktig bruk i nye typer skjerm‑ og oppkonverteringsbildeapplikasjoner, samt å tilby en ny plattform for bilderegistrering og nevromorfisk optoelektronikk.

Bruk av eksisterende materialer og prosesser allerede tilgjengelige kan også betydelig forbedre kostnadseffektiviteten og skalerbarheten til teknologien for fremtidige anvendelser.

Andre nattsynsinnovasjoner

Blant de pågående innovasjonene innen NV, har et team av ingeniører nylig hentet inspirasjon fra kattes optiske systemer for å utvikle en ny type kamera som kan fange bilder i mørket. Enheten kan også se gjennom kamuflasje, noe som gjør den nyttig i langdistanseapplikasjoner som militære droner.

Så gløder en katts øyne i et mørkt rom, noe som skjer fordi kattens øye har tapetum lucidum, en struktur som reflekterer lys. Netthinnen i kattens øye absorberer ikke bare lys som treffer den direkte, men også det som reflekteres av tapetum lucidum, og dermed gir katter forbedret nattsyn.

Dette er ikke alt. Øynene til huskatter har enda en egenskap, en vertikal pupill, vanlig hos bakholdsrovdyr med liten kroppsbygning. Denne vertikale pupillen gir små kattedyr forbedret dybdesyn. Disse pupillene hjelper dem med å fokusere på målet mens de filtrerer bort rotet i bakgrunnen. 

Så, for å gjenutvikle disse strukturene, har ingeniører fra ulike sørkoreanske universiteter, ledet av Young Min Song, professor ved Gwangju Institute of Science and Technology, laget en vertikal kamerapertur. Når den kombineres med et silisium fotodetektor‑array med sølvreflektorer, simulerte den den doble lysabsorpsjonen av tapetum lucidum.

Ifølge den nye forskningen, da den ble testet ved å peke på et skjult museformet objekt på ulike avstander, klarte enheten å skille formen til tross for kamuflasjen.

Imidlertid er den ikke feilfri. Den menneskeskapte bildesensoren er ikke like skarp som den kattene naturlig har. Kattens øyekameras spalte‑lignende pupiller betyr at den har et redusert synsfelt. For å overvinne denne begrensningen, foreslår ingeniørene enheter som bruker dette kameraet for å etterligne kattens hode‑ og skuldermuskler for full duplisering av kattens bevegelser.

Dette er ikke første gang forskere har hentet inspirasjon fra naturen. Biologisk inspirert teknologi er svært populær og vanlig. Selv linser har blitt laget på denne måten, ved å bruke biologien til blekksprut, elefantnese‑fisk og mantisreke. Kattens øyne, spesielt, har løfter for mørke forhold og “potensial for å lette utplassering av mobile roboter til en rekke ukonvensjonelle robotapplikasjoner ved å erstatte mennesker” i overvåkningsroboter, ubemannede kjøretøy, og militære droner, bemerket studien.

For noen måneder siden tok en annen forsker en ny heloptisk tilnærming for å forbedre infrarødt syn, og revolusjonerte nattsynsteknologien. Til dette opprettet Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta‑Optical Systems (TMOS) et ekstremt tynt infrarødt filter. 

Den er tynnere enn et stykke plastfolie, og kan til og med sitte på toppen av brillene, slik at brukeren kan se både infrarødt og synlig lysspekter samtidig. Den nye teknologien vil redusere vekten på teknologien betydelig, til under ett gram.

Med slike fordeler kan den resulterende teknologien finne betydelige muligheter innen biologisk bildeovervåkning og autonome navigasjonsindustrier.

For den forskning, brukte teamet oppkonverteringsteknologi basert på metasurface for å gi en enklere vei for behandling av lysfotoner. Her reiser fotonene gjennom en resonant metasurface, og blandes med en pumpestråle.

Bruken av ikke‑lokal litiumniobat‑metasurface forbedrer fotonenes energi og, i stedet for å konvertere dem til elektroner først, trekker de dem inn i det synlige lysspekteret. Dette eliminerer behovet for kryogen kjøling, og reduserer dermed ‘støyen’ for skarpere bilder i konvensjonell NV og kan som resultat sette en stopper for den klumpete naturen til disse goggles. 

“Dette er den første demonstrasjonen av høyoppløselig oppkonverteringsavbildning fra 1550‑nm infrarødt til synlig 550‑nm lys i en ikke‑lokal metasurface.”

– Rocio Camacho Morales, studiens forfatter

Når Camacho snakker om beslutningen om å bruke disse bølgelengdene, bemerket hun at 1550 nm vanligvis brukes til telekommunikasjon mens menneskelige øyne er svært følsomme for den andre. I deres fremtidige forskning vil teamet utvide bølgelengdeområdet enheten er sensitiv til med mål om “å oppnå bredbånds‑IR‑bildebehandling, samt utforske bildebehandling, inkludert kantdeteksjon.”

Selskaper som fremmer NV‑teknologien

I verden av nattsynsteknologi hjelper selskaper som L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) og Leonardo med å drive feltet fremover.

Blant disse er L3Harris en viktig aktør innen forsvar og romfart, og produserer avanserte nattsynsgogger og systemer for militæret og politiet. BAE Systems utvikler også nattsyn‑ og infrarød bildeteknologi for militære anvendelser, på samme måte som Leonardo, hvis nattsynsutstyr – inkludert bildeintensifikatorer og termiske bildesystemer – betjener forsvars‑, sikkerhets‑ og romfartssektorene.

Deretter er det FLIR Systems, nå en del av Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), som produserer termisk bildeteknologi og infrarøde kameraer brukt i nattsynssystemer på tvers av ulike sektorer. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) er spesielt kjent for å produsere infrarøde og termiske bildesystemer, som er essensielle for NV‑kapasiteter i militær‑ og luftfartssektoren.

La oss nå se nærmere på selskapene som hjelper med å fremme teknologien:

#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN) 

En nøkkelspiller i å fremme nattsynsteknologi, Kopin spesialiserer seg på utvikling av mikroskjermdisplay og bærbare teknologier, inkludert heads‑up displays (HUDs), som er viktige komponenter i moderne NV‑systemer. 

I mai sikret selskapet en kontrakt fra en ukjent forsvarskunde for å utvikle et lavlatens digitalt nattsynssystem som integrerer deres OLED‑mikroskjermdisplayteknologi. Analoge NV‑gogger har blitt brukt i militære operasjoner i over to tiår. Ved å utnytte effektive digitale sensorer og avanserte OLED‑mikroskjermdisplay, har det nye prosjektet som mål å forbedre NV‑kapasiteter med et fullt digitalt system. Denne integrasjonen reduserer også størrelsen og projeksjonen av nattsynsenheter, og forbedrer deres operasjonelle effektivitet.

Med en markedsverdi på $74,23 millioner, handles selskapets aksjer for øyeblikket til $0,65, ned 69,77% år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på -0,40 og en P/E (TTM) på -1,53. For Q2 2024 rapporterte Kopin $12,3 millioner i inntekter, en økning på 18% fra samme kvartal i fjor. Selskapets år‑til‑år produktinntekter steg med 84%, med inntekter fra forsvarsprodukter som økte med $5,4 mln og en $0,3 mln økning i industrielle produktinntekter. Kostnaden for produktinntekter var samtidig $8,7 millioner, som er 79% av netto produktinntekter, ned fra 95% i 2Q23. I løpet av kvartalet var netto tapet ($5,9) millioner eller ($0,05) per aksje.

Ifølge administrerende direktør Michael Murray:

“(Fem nye kunder har lagt inn utviklingsordrer, som gir) betydelige fler‑million‑dollar per år produksjonsinntektsmuligheter i fremtiden.”

Han delte videre at han ble tildelt design, utvikling og produksjon av US Army’s Next Generation‑Short Range Interceptor (NG‑SRI)-system, som vil starte i 2027. Andre kontrakter involverer forskning på optiske tilnærminger for Visual Augmentation Systems for US Army og å skape en måte å redusere størrelse og vekt på optikk som trengs i avanserte sensorsystemer for US Navy.

#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)

Dette forsvarsselskapet er involvert i utvikling av avanserte nattsynsgogger, termiske bildesystemer og andre elektro‑optiske systemer for både militære og sivile formål.

Denne måneden signerte Elbit Systems (ESLT ) en kontrakt på $28 mln med US Army for ekstra hjelmmonterte, AN/PVS‑14 monokulære nattsynsenheter som gjør at soldater kan bevege seg raskt om natten. Enheten inneholder en infrarød belyser og høyforstørrelseslinser for å fange klare bilder i svakt lys og opptil 150 meter. Denne avtalen følger en $12 mln kontrakt selskapet signerte for å levere et ikke oppgitt antall AN/PVS‑14‑enheter til hæren. Før dette, i 2021, hadde hæren og Elibit også en $54 mln avtale for de samme enhetene.

Med en markedsverdi på $8,5 milliarder, handles selskapets aksjer til $192,24, ned 9,85% år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 5,44, en P/E (TTM) på 35,35, og en utbytteavkastning på 1,04%. For Q2 2024, Elibit rapporterte en inntekt på $1,6 milliarder, GAAP nettoinntekt på $78 millioner, Non‑GAAP nettoinntekt på $93 millioner, og en ordrebeholdning på $21,1 milliarder. Kontantstrømmen for de seks månedene som endte 30. juni 2024, var $26,0 millioner, ned fra $210,7 millioner registrert ved slutten av første halvdel av fjoråret på grunn av økning i lagerbeholdning og handelsfordringer.

Når vi snakker om selskapets 12 % år‑til‑år økning i inntekter, sa administrerende direktør Bezhalel (Butzi) Machlis:

“Den kontinuerlige høye etterspørselen etter våre produkter og løsninger styrker vår posisjon som bransjeledere.”

Konklusjon

Nattsynsteknologi har vokst eksponentielt de siste årene, og tilbyr fordeler som økt kompakthet, redusert strømforbruk og forbedret bildeklarhet. Utviklingen av tynne OLED‑baserte enheter, katte‑inspirerte kameraer og avanserte metasurfaces understreker viktigheten av fortsatt forskning for å oppnå enda bedre resultater, noe som kan utvide de potensielle anvendelsene av nattsyn ytterligere, inkludert å hjelpe oss med å få en dypere forståelse av verden rundt oss.

Klikk her for å lære hvordan infrarøde kvanteprikker kan hjelpe oss med å bygge neste generasjons bildeteknikker.