Elektronikk
Revolutionerende nattsyn: OLEDer baner vei for lette, høyteknologiske løsninger
Har du noen gang lurt på om nattsynsbriller i filmer fungerer? Kan du virkelig se i mørket? Vel, svaret er ja – de fungerer, og lar deg se i mørket. Dette blir mulig takket være nattsynsteknologi. Men hvordan fungerer det?
Først må vi forstå at mengden energi i et lysbølge er relatert til dets bølgelengde. Hvis en bølgelengde er kortere, har den høyere energi, og vice versa.
I synlig lys har rødt minst energi, mens fiolett har mest. Infrarødt lys, på den andre siden, omfatter nær-infrarødt (nær-IR) med bølgelengder i området 0,7-1,3 mikron, mid-infrarødt (mid-IR) med bølgelengder mellom 1,3 og 3 mikron, og termisk-infrarødt (termisk-IR) med bølgelengder fra 3 mikron til over 30 mikron.
I motsetning til nær-IR og mid-IR, som brukes av forskjellige elektroniske enheter, emitteres termisk-IR av et objekt i stedet for å reflekteres av det.
Så, nattsynsteknologi muliggjør syn i mørket ved enten å forsterke tilgjengelig lys eller å detektere infrarødt stråling. Nattsynsenheter fanger fotoner av lys og forsterker dem for å skape et synlig bilde eller detektere infrarødt stråling emittert av objekter og konvertere det til et synlig bilde.
Nattsynsutstyr – inkludert kikkerter, briller og kameraer – brukes vanligvis i militær, overvåking, navigasjon, politi, jakt, dyreobservasjon, skjult objekt-deteksjon og sikkerhet.
Drevet av denne økende etterspørselen over forskjellige anvendelser og teknologiske fremgang, er markedstørrelsen på nattsynsenheter prognostisert å vokse fra 8,68 milliarder dollar i 2024 til 12,74 milliarder dollar i 2029.
Ny oppdagelse: Papirtynn OLED for kompakt, lett nattsyn
Midt i dette har forskere fra University of Michigan skapt en ny type OLED som er tyntere enn papir og kan potensielt erstatte bulke nattsynsbriller med lette briller. Dette kunne gjøre nattsynsbriller billigere og mer praktiske for langvarig bruk.
Kilde: University of Michigan
Organiske lys-emitterende dioder, eller OLEDer, er blant de mest suksessfulle organiske elektroniske enhetene og dominerer mobilskjermmarkedet. De utvides også til bil, bærbare enheter og et bredt spekter av belysningsapplikasjoner. Smartphone-skjermer, som de i iPhone, bruker denne type lys.
Mot denne bakgrunnen introduserte studien en ny klasse av organiske lys-emitterende enheter som viser bistabilitet på grunn av positiv fotisk tilbakekobling mellom en organisk fotodiode og en tandem-OLED integrert i samme lagstakke.
Finansiert av DARPA, ble forskningen gjort i samarbeid med aerospace- og forsvarskontraktør RTX og OLEDWorks, et selskap som produserer OLED-belysningsprodukter. OLEDWorks og Penn State University, hvor studien opprinnelig kom fra før dens korresponderende forfatter, Chris Giebink, flyttet til U-M, arbeider nå med å patenterer teknologien.
Konvensjonelle nattsynssystemer avhenger av bildeforsterkere for å forsterke innkommende lys. Den nye OLED-enheten gjør også det—konverterer nær-IL til synlig lys og forsterker det over 100 ganger. Men OLED-enheten gjør det uten den høye spenningen, vekten og den ulempefulle vakuumlaget som trengs i tradisjonelle bildeforsterkere. For å oppnå høy forsterkning, konsentrerte forskerne seg i stedet om å optimalisere enhetens design.
Ifølge Giebink, U-M professor i elektrisk og datateknikk og fysikk, er en fascinerende egenskap ved den nye tilnærmingen at lyset forsterkes innenfor en tynn filmstakke, mindre enn en mikron (0,001 mm) tykk. Dette er mye tynnere enn en enkelt hårstrå, som har en tykkelse på omtrent 50 mikron.
Ved å operere ved en mye lavere spenning enn en konvensjonell bildeforsterker, reduserer enheten strømforbruket, hvilket igjen forlenger batterilevetiden.
Teknisk sett opererer den nye OLED-enheten ved å kombinere en foton-absorberende lag med en stak av OLEDer med fem lag. Foton-absorberende lag konverterer IL til elektroner, mens OLED-laget konverterer elektronene til synlige lysfotoner.
Ideelt sett genereres fem fotoner for hver elektron som passerer gjennom OLED-staken. Noen av disse fotonene emitteres til brukerens øye, mens andre absorberes tilbake i foton-absorberende lag.
På denne måten genererer systemet fortsatt flere elektroner som igjen flytter gjennom OLED-en, og skaper en positiv tilbakekoblings_syklus som kraftig forbedrer mengden av utgangslys som resulterer fra en gitt mengde innkommende lys.
Mens OLEDer i tidligere forsøk har kunnet konvertere nær-infrarødt lys til synlig lys, har det ikke vært noen gevinst. Dette betyr at vi bare fikk ett utgangsfoton fra ett inngangsfoton. Ifølge studiens hovedforfatter, Raju Lampande, U-M postdoktorforsker i elektrisk og datateknikk:
“Dette markerer den første demonstrasjonen av høy foton-gevinst i en tynnfilmenhet.”
Men dette er ikke slutten på enhetens muligheter. Den viser faktisk en minne-atferd som kan ha anvendelser i datavisjonssystemer. Denne atferden kalles hysteresis, hvor lysutgangen på et gitt øyeblikk avhenger av intensiteten og varigheten av tidligere innkommende lys.
Så, i et “uvanlig” trekk, forblir den nye OLED-enheten på og husker ting over tid. Dette er i motsetning til den normale situasjonen under hvilken den vanlige OLED-en begynner å emittere lys når den blir belyst, bare for å slutte å gjøre det når belyst slås av.
Enhetens minne-atferd presenterer noen utfordringer for NV-anvendelser, men den kan skape en mulighet for bildebehandling som fungerer mer som det menneskelige visuelle systemet. I dette systemet passerer biologiske nerver signaler avhengig av tid og styrke på inngående signaler.
Den nye OLED-enhetens evne til å huske tidligere inngang kan også gjøre den nyttig for visse typer nerve-lignende forbindelser. Disse forbindelsene muliggjør at et inngangsbilde kan tolkes og klassifiseres uten å behandle data i en separat beregningsenhet.
OLED-enheten ble fabrikkert av forskerne ved å bruke materialer og metoder som allerede er vidt brukt i OLED-produksjon. Som sådan har den potensialet for nærtidige anvendelser i nye typer skjermer og oppkonverterings-bildeapplikasjoner, samt å tilby en ny plattform for bilde-gjenkjenning og nevro-morfe optoelektronikk.
Ved å bruke eksisterende materialer og prosesser som allerede er tilgjengelige, kan det også betydelig forbedre kostnadseffektiviteten og skalerbarheten til teknologien for fremtidige anvendelser.
Andre nattsyns-innovasjoner
Blant de pågående innovasjonene som skjer i nattsyns-rommet, har et team av ingeniører tatt inspirasjon fra katters 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 ulike anvendelser som militære droner.
Så, en katts øyne gløder i et mørkt rom, noe som skjer fordi det feline øyet har tapetum lucidum, en struktur som reflekterer lys. Nett-hinnen i kattens øye absorberer ikke bare lys som treffer den direkte, men også lys som reflekteres av tapetum lucidum, og gir kattene forbedret nattsyn.
Dette er ikke alt. Øynene til huskatter har også en annen egenskap, en vertikal pupil, vanlig i bakhold-predatorer med små kroppsstorrelser. Det vertikale pupilen gjør at små kattedyr får forbedret dybdeskala. Disse pupillene hjelper dem å fokusere på målet sitt mens de filtrerer ut uønsket støy i bakgrunnen.
Så, for å gjenskape disse strukturene, har ingeniører fra ulike sørkoreanske universiteter, ledet av Young Min Song, en professor ved Gwangju Institute of Science and Technology, fabrikkert en vertikal kamera-åpning. Når den kombineres med en silisium-fotodetektor-matrise med sølv-reflektorer, simulerer den doble lys-absorpsjonen av tapetum lucidum.
Ifølge den nye forskningen, da den ble testet ved å peke på et skjult mus-formet objekt på ulike avstander, klarte enheten å skille ut formen til tross for kamuflasjen.
Men det er ikke feilfritt. Den menneskeskapte bildesensoren er ikke like skarp som den katten naturlig besitter. Katt-øye-kameraets slit-lignende pupiller betyr at den har et redusert synsfelt. For å overvinne denne begrensningen, foreslår ingeniørene enheter som bruker denne kameraen for å simulere kattens hode- og skuldermuskler for full katt-bevegelses-duplisering.
Dette er ikke første gang forskere har tatt inspirasjon fra naturen. Biologisk inspirert teknologi er svært populær og vanlig. Selv linser har blitt skapt på denne måten, ved å bruke biologien til cuttlefish, elephant nose fish og mantis reker. Katters øyne, spesielt, holder løftet for mørke forhold og “potensial for å fasilitere utplassering av mobile roboter til en rekke uvanlige robot-anvendelser ved å erstatte mennesker” i overvåkings-roboter, ubemannede kjøretøy og militære droner, bemerket studien.
For noen måneder siden tok en annen lærer en ny all-optisk tilnærming for å forbedre infrarødt syn, og revolusjonerte nattsynsteknologien. For dette skapte Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta-Optical Systems (TMOS) en ekstremt tynn infrarød filter.
Ved å være tyntere enn et stykke klippepapir, kan det sogar sitte på toppen av brille, og lar bæreren se både infrarødt og synlig lys samtidig. Den nye teknologien ville redusere vekten av teknologien betydelig, til mindre enn ett gram.
Med slike fordeler kan den resulterende teknologien finne betydelige muligheter i biologisk avbildning, overvåking og autonom navigasjon.
For forskningen, brukte teamet oppkonverteringsteknologi basert på metasurface for å gi en enklere vei for å prosessere lysfotoner. Her reiser fotonene gjennom en resonant metasurface, og blandes med en pump-stråle.
Bruken av ikke-lokal lithium niobat metasurface forbedrer fotonenes energi og, i stedet for å konvertere dem til elektroner først, trekker dem inn i det synlige lys-spekteret. Dette eliminerer behovet for kryogen avkjøling, og reduserer dermed “støyen” for skarpere bilder i konvensjonell NV, og kan sette en stopper for bulkheten av disse brille.
“Dette er den første demonstrasjonen av høyoppløst oppkonverterings-avbildning fra 1550-nm infrarødt til synlig 550-nm lys i en ikke-lokal metasurface.”
– Rocio Camacho Morales, studie-forfatter
Snakker om beslutningen om å gå med disse bølgelengdene, bemerket Camacho at 1550 nm vanligvis brukes for telekommunikasjon, mens menneskelige øyne er svært følsomme for den andre. I fremtidige forskninger vil teamet utvide bølgelengde-området enheten er følsom for, med målet om “å oppnå bredbånd-infrarød avbildning, samt å utforske bilde-behandling, inkludert kant-deteksjon”.
Selskaper som fremmer NV-teknologien
I verden av nattsynsteknologi hjelper selskaper som L3Harris Technologies (NYSE: LHX), BAE Systems (OTC: BAESY) og Leonardo med å ta rommet fremover.
Blant disse er L3Harris en stor spiller i forsvar og aerospace, som produserer avanserte nattsynsbriller og systemer for militær og politi. BAE Systems utvikler også nattsyn og infrarød avbildningsteknologi for militære anvendelser, likt Leonardo, hvis nattsynsutstyr – inkludert bildeforsterkere og termiske avbildningssystemer – tjener forsvars-, sikkerhets- og aerospace-sektorene.
Så er det FLIR Systems, nå en del av Teledyne Technologies (NYSE: TDY), som produserer termiske avbildings- og infrarøde kameraer brukt i nattsynssystemer over ulike sektorer. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) er særlig kjent for å produsere infrarøde og termiske avbildningssystemer, som er essensielle for NV-egenskaper i militær og luftfart-sektorene.
Nå, la oss ta en nærmere titt på selskapene som hjelper med å fremme teknologien:
#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN)
En nøkkel-spiller i å fremme nattsynsteknologi, Kopin spesialiserer seg i å utvikle mikro-displayer og bærbare teknologier, inkludert heads-up-displayer (HUD), som er avgjørende komponenter i moderne NV-systemer.
I mai sikret selskapet en kontrakt fra en ukjent forsvarskunde for å utvikle et lav-forsinknings digitalt nattsynssystem som inkorporerer deres OLED-mikrodisplay-teknologi. Analog nattsynsbriller har blitt brukt i militær-operasjoner i over to tiår. Ved å utnytte effektive digitale sensorer og avanserte OLED-mikrodisplayer, har det nye prosjektet som mål å forbedre NV-egenskaper med et fullt digitalt system. Denne integreringen reduserer også størrelsen og projeksjonen av nattsynsenheter, og forbedrer deres operative effektivitet.
(KOPN )
Med en markedskapital på 74,23 millioner dollar, handler selskapets aksjer nå for 0,65 dollar, ned 69,77% fra årets begynnelse. Det har en EPS (TTM) på -0,40 og en P/E (TTM) på -1,53. For Q2 i 2024 rapporterte Kopin en omsetning på 12,3 millioner dollar, en økning på 18% fra samme kvartal i fjor. Selskapets årlig produkt-omsetning økte med 84%, med en økning på 5,4 millioner dollar i forsvars-produkt-omsetning og en økning på 0,3 millioner dollar i industri-produkt-omsetning. Kostnaden ved produkt-omsetning var på 8,7 millioner dollar, som er 79% av netto-produkt-omsetning, ned fra 95% i 2Q23. Under kvartalet var netto-tapet på (5,9) millioner dollar eller (0,05) dollar per aksje.
Ifølge CEO Michael Murray:
“(Fem nye kunder har plassert utviklingsordrer, og gir) betydelige multi-millions dollar per år produksjons-muligheter i fremtiden.”
Han delte også at han ble tildelt design, utvikling og produksjon av USAs Next Generation-Short Range Interceptor (NG-SRI)-system, som skal starte i 2027. Andre kontrakter omfatter å forske på optiske tilnærminger for Visual Augmentation Systems for USAs hær og å skape en måte å redusere størrelsen og vekten av optikken som trengs i avanserte sensorsystemer for USAs marine.
#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)
Dette forsvarsselskapet er involvert i å utvikle avanserte nattsynsbriller, termiske avbildningssystemer og andre elektro-optiske systemer for både militære og sivile formål.
Denne måneden signerte Elbit Systems en kontrakt på 28 millioner dollar med USAs hær for å levere ytterligere helmet-monterte, AN/PVS-14 monokulære nattsyns-enheter som lar soldatene bevege seg raskt om natten. Enheten inkorporerer en infrarød-lysbærer og høy-forstørrelses-linser for å fange klare bilder i lav-lys-forhold og på avstander opptil 150 meter. Denne avtalen kommer på bakgrunn av en 12-millions kontrakt som selskapet signerte for å levere en ukjent mengde AN/PVS-14-enheter til hæren. Før dette, i 2021, hadde hæren og Elbit en 54-millions kontrakt for samme enheter.
(ESLT )
Med en markedskapital på 8,5 milliarder dollar, handler selskapets aksjer nå for 192,24 dollar, ned 9,85% fra årets begynnelse. Det har en EPS (TTM) på 5,44, en P/E (TTM) på 35,35 og en utbytte-ytelse på 1,04%. For Q2 i 2024 rapporterte Elbit en omsetning på 1,6 milliarder dollar, et GAAP-nett-gevinst på 78 millioner dollar, et ikke-GAAP-nett-gevinst på 93 millioner dollar og en ordre–buffer på 21,1 milliarder dollar. Kontant-strømmen for de seks månedene som sluttet 30. juni 2024, var på 26,0 millioner dollar, ned fra 210,7 millioner dollar registrert ved slutten av første halvår i fjor, på grunn av en økning i lager og handels-krevende.
Snakker om selskapets 12% årlig økning i omsetning, sa CEO 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 kompakt-het, redusert strøm-forbruk og forbedret bilde-klarhet. Utviklingen av tynne OLED-baserte enheter, katt-inspirerte kameraer og avanserte metasurface-høydepunkter viktigheten av å fortsette forskningen for å oppnå enda bedre resultater, som kan utvide de potensielle anvendelsene av nattsyn ytterligere, inkludert å hjelpe oss med å få en dypere forståelse av verden rundt oss.
