Computação
Revolucionando a Visão Noturna: OLEDs Abrindo Caminho para Soluções Leves e de Alta Tecnologia
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Já se perguntou se aqueles óculos de visão noturna nos filmes realmente funcionam? Você pode realmente ver no escuro? Bem, a resposta é sim—eles funcionam, permitindo que você veja no escuro. Isso é possibilitado pela tecnologia de visão noturna. Mas como funciona?
Primeiro, devemos entender que a quantidade de energia em uma onda de luz está relacionada ao seu comprimento de onda. Se o comprimento de onda for mais curto, ele tem mais energia, e vice‑versa.
Na luz visível, o vermelho tem a menor energia, enquanto o violeta tem a maior. A luz infravermelha, por outro lado, inclui o infravermelho próximo (near‑IR) com comprimentos de onda entre 0,7‑1,3 micrômetros, o infravermelho médio (mid‑IR) entre 1,3 e 3 micrômetros, e o infravermelho térmico (thermal‑IR) com comprimentos de onda de 3 micrômetros a mais de 30 micrômetros.
Ao contrário do near‑IR e do mid‑IR, que são usados por vários dispositivos eletrônicos, o thermal‑IR é emitido por um objeto em vez de ser refletido por ele.
Portanto, a tecnologia de visão noturna permite enxergar no escuro ao amplificar a luz disponível ou detectar radiação infravermelha. Os dispositivos de visão noturna capturam fótons de luz e os amplificam para criar uma imagem visível ou detectam a radiação infravermelha emitida por objetos e a convertem em uma imagem visível.
Equipamentos de visão noturna — incluindo lunetas, óculos e câmeras — são comumente usados nas áreas militar, de vigilância, navegação, aplicação da lei, caça, observação da vida selvagem, detecção de objetos ocultos e segurança.
Impulsionado por essa demanda crescente em várias aplicações e pelos avanços tecnológicos, o tamanho de mercado dos dispositivos de visão noturna é projetado para crescer de US$ 8,68 bi em 2024 para US$ 12,74 bi até 2029.
Nova Descoberta: OLED Ultra-fino para Visão Noturna Compacta e Leve
Em meio a isso, pesquisadores da Universidade de Michigan criaram um novo tipo de OLED que é mais fino que papel e pode potencialmente substituir os volumosos óculos de visão noturna por óculos leves. Isso poderia tornar os óculos de visão noturna mais baratos e práticos para uso prolongado.
Fonte: University of Michigan
Diodos emissores de luz orgânicos, ou OLEDs, estão entre os dispositivos eletrônicos orgânicos de maior sucesso e dominam o mercado de displays móveis. Eles também estão se expandindo para automóveis, dispositivos vestíveis e uma ampla gama de aplicações de iluminação. Telas de smartphones, como as do iPhone, utilizam esse tipo de luz.
Nesse contexto, o estudo introduziu uma nova classe de dispositivos emissores de luz orgânicos que exibem bistabilidade devido ao feedback fotônico positivo entre um fotodiodo orgânico e um OLED em tandem integrado na mesma pilha de camadas.
Financiado pela DARPA, a pesquisa foi realizada em colaboração com a contratante aeroespacial e de defesa RTX e a OLEDWorks, empresa que fabrica produtos de iluminação OLED. OLEDWorks e a Penn State University, onde o estudo se originou antes de seu autor correspondente, Chris Giebink, mudar‑se para a U‑M, estão atualmente trabalhando na patenteação da tecnologia.
Sistemas convencionais de visão noturna dependem de intensificadores de imagem para amplificar a luz incidente. O novo dispositivo OLED também faz isso — convertendo IL próximo em luz visível e então amplificando‑a mais de 100 vezes. No entanto, o dispositivo OLED realiza tudo isso sem a alta voltagem, peso e camada de vácuo inconveniente necessários nos intensificadores de imagem tradicionais. Para alcançar alta amplificação, os pesquisadores focaram em otimizar o design do dispositivo.
De acordo com Giebink, professor de engenharia elétrica e de computação e física da U‑M, uma característica fascinante da nova abordagem é que a luz é amplificada dentro de uma pilha de filme fino, com menos de um micrômetro (0,001 mm) de espessura. Isso é muito mais fino que um único fio de cabelo, que tem cerca de 50 micrômetros de espessura.
Ao operar a uma voltagem muito mais baixa que um intensificador de imagem convencional, o dispositivo reduz o consumo de energia, o que por sua vez prolonga a vida útil da bateria.
Tecnicamente, o novo dispositivo OLED funciona combinando uma camada absorvedora de fótons com uma pilha de OLEDs de cinco camadas. A camada absorvedora converte IL em elétrons, enquanto a camada OLED converte os elétrons em fótons de luz visível.
Idealmente, cinco fótons são gerados para cada elétron que atravessa a pilha de OLED. Alguns desses fótons são emitidos para o olho do usuário, enquanto outros são reabsorvidos de volta à camada absorvedora de fótons.
Dessa forma, o sistema ainda gera mais elétrons que novamente passam pela OLED, criando um ciclo de feedback positivo que aumenta consideravelmente a quantidade de luz de saída resultante de uma dada quantidade de luz de entrada.
Embora OLEDs em tentativas anteriores tenham conseguido converter luz near‑infrared em luz visível, não houve ganho. Isso significa que obtivemos apenas um fóton de saída para cada fóton de entrada. Segundo o autor principal do estudo, Raju Lampande, bolsista de pós‑doutorado em engenharia elétrica e de computação da U‑M:
“Esta é a primeira demonstração de alto ganho de fótons em um dispositivo de filme fino.”
Mas isso não é o fim das capacidades deste dispositivo. Ele realmente demonstra um comportamento de memória que pode ter aplicações até em sistemas de visão computacional. Esse comportamento é chamado de histerese, onde a saída de luz em um dado momento depende da intensidade e duração da iluminação de entrada passada.
Então, em um movimento “incomum”, o novo dispositivo OLED permanece ligado e lembra coisas ao longo do tempo. Isso difere da situação normal em que o OLED de upconversion começa a emitir luz quando iluminado, apenas para parar quando a iluminação é desligada.
O comportamento de memória do dispositivo apresenta alguns desafios para aplicações de visão noturna, mas pode criar uma oportunidade para processamento de imagem que funciona mais como o sistema visual humano. Nesse sistema, neurônios biológicos transmitem sinais dependendo do timing e da força dos sinais de entrada.
A capacidade do novo OLED de lembrar entradas passadas também pode torná‑lo útil para certos tipos de conexões semelhantes a neurônios. Essas conexões permitem que uma imagem de entrada seja interpretada e classificada sem processar os dados em uma unidade de computação separada.
O dispositivo OLED foi fabricado pelos pesquisadores usando materiais e métodos já amplamente usados na fabricação de OLEDs. Como tal, ele tem potencial para uso em curto prazo em novos tipos de displays e aplicações de imagem upconversion, bem como oferece uma nova plataforma para reconhecimento de imagem e optoeletrônica neuromórfica.
Utilizar materiais e processos existentes já disponíveis também pode melhorar significativamente a custo‑benefício e escalabilidade da tecnologia para aplicações futuras.
Outras Inovações em Visão Noturna
Entre as inovações em curso no campo da visão noturna, recentemente, uma equipe de engenheiros se inspirou nos sistemas ópticos dos gatos para desenvolver um novo tipo de câmera que pode capturar imagens no escuro. O dispositivo também consegue ver através de camuflagem, tornando‑o útil em aplicações de longo alcance como drones militares.
Assim, os olhos dos gatos brilham em um ambiente escuro, o que acontece porque o olho felino possui o tapetum lucidum, uma estrutura que reflete a luz. A retina do olho do gato não apenas absorve a luz que incide diretamente, mas também a que é refletida pelo tapetum lucidum, proporcionando aos gatos visão noturna aprimorada.
Isso não é tudo. Os olhos de gatos domésticos têm outra característica, uma pupila vertical, comum em predadores de emboscada de pequeno porte. Essa pupila vertical confere aos felinos pequenos percepção de profundidade aprimorada. Essas pupilas ajudam a focar no alvo enquanto filtram o ruído de fundo.
Portanto, para recriar essas estruturas, engenheiros de várias universidades sul‑coreanas, liderados por Young Min Song, professor do Instituto de Ciência e Tecnologia de Gwangju, fabricaram uma abertura de câmera vertical. Quando combinada com uma matriz de fotodetector de silício com refletores de prata, ela simulou a dupla absorção de luz do tapetum lucidum.
De acordo com a nova pesquisa, ao ser testada apontando para um objeto em forma de rato oculto a várias distâncias, o dispositivo distinguiu com sucesso a forma apesar da camuflagem.
Entretanto, não está isento de erros. O sensor de imagem artificial não é tão agudo quanto o que os gatos possuem naturalmente. As pupilas em forma de fenda da câmera de olho de gato significam que tem um campo de visão reduzido. Para superar essa limitação, os engenheiros propõem dispositivos usando esta câmera para imitar os músculos da cabeça e ombro do gato, duplicando totalmente o movimento do gato.
Esta não é a primeira vez que pesquisadores se inspiram na natureza. Tecnologias inspiradas biologicamente são extremamente populares e comuns. Até lentes foram criadas dessa maneira, utilizando a biologia de lula, peixe‑elefante e camarão mantis. Os olhos dos gatos, em particular, prometem condições de pouca luz e “potencial para facilitar a implantação de robôs móveis em uma variedade de aplicações robóticas não convencionais, substituindo humanos” em robôs de vigilância, veículos não‑tripulados e drones militares, observou o estudo.
Há alguns meses, outro pesquisador adotou uma nova abordagem totalmente óptica para melhorar a visão infravermelha, revolucionando a tecnologia de visão noturna. Para isso, o Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta‑Optical Systems (TMOS) criou um filtro infravermelho extremamente fino.
Sendo mais fino que um pedaço de filme plástico, ele pode até ser colocado sobre os óculos, permitindo ao usuário visualizar simultaneamente os espectros infravermelho e visível. A nova tecnologia reduziria o peso da tecnologia substancialmente, para menos de um grama.
Com tais benefícios, a tecnologia resultante pode encontrar oportunidades significativas nas indústrias de vigilância de imagem biológica e navegação autônoma.
Para a pesquisa, a equipe utilizou tecnologia de upconversion baseada em metasuperfície para proporcionar um caminho mais fácil ao processamento de fótons de luz. Aqui, os fótons viajam através de uma metasuperfície ressonante, interagindo com um feixe de bombeamento.
O uso de metasuperfície de nióbio‑lítio não‑local aumenta a energia dos fótons e, em vez de convertê‑los primeiro em elétrons, os traz diretamente para o espectro de luz visível. Isso elimina a necessidade de refrigeração criogênica, reduzindo assim o “ruído” para imagens mais nítidas em visão noturna convencional e, como resultado, pode acabar com a volumosidade desses óculos.
“Esta é a primeira demonstração de imagem de up‑conversion de alta resolução de 1550 nm infravermelho para luz visível de 550 nm em uma metasuperfície não‑local.”
– Rocio Camacho Morales, autora do estudo
Falando sobre a decisão de usar esses comprimentos de onda, Camacho observou que o 1550 nm costuma ser usado para telecomunicações enquanto os olhos humanos são altamente sensíveis ao outro. Em pesquisas futuras, a equipe ampliará a faixa de comprimento de onda à qual o dispositivo é sensível com o objetivo de “obter imagens de IR de banda larga, bem como explorar o processamento de imagem, incluindo detecção de bordas.”
Empresas que Avançam a Tecnologia de Visão Noturna
No mundo da tecnologia de visão noturna, empresas como L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) e Leonardo estão ajudando a avançar o setor.
Entre elas, a L3Harris é um grande player em defesa e aeroespacial, produzindo óculos e sistemas avançados de visão noturna para militares e aplicação da lei. A BAE Systems também desenvolve tecnologias de visão noturna e imagem infravermelha para aplicações militares, similar à Leonardo, cujo equipamento de visão noturna — incluindo intensificadores de imagem e sistemas de imagem térmica — serve aos setores de defesa, segurança e aeroespacial.
Depois temos a FLIR Systems, agora parte da Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), que produz câmeras de imagem térmica e infravermelha usadas em sistemas de visão noturna em vários setores. A Raytheon Technologies (NYSE: RTX) é particularmente conhecida por produzir sistemas infravermelhos e de imagem térmica, essenciais para capacidades de visão noturna nos setores militar e de aviação.
Agora, vamos analisar mais detalhadamente as empresas que ajudam a avançar a tecnologia:
#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN)
Um player chave no avanço da tecnologia de visão noturna, a Kopin se especializa no desenvolvimento de microdisplays e tecnologias vestíveis, incluindo displays heads‑up (HUDs), que são componentes cruciais dos sistemas modernos de visão noturna.
Em maio, a empresa garantiu um contrato de um cliente de defesa não identificado para desenvolver um sistema de visão noturna digital de baixa latência incorporando sua tecnologia de microdisplay OLED. Óculos NV analógicos têm sido usados em operações militares por mais de duas décadas. Ao aproveitar sensores digitais eficientes e microdisplays OLED avançados, o novo projeto visa melhorar as capacidades de NV com um sistema totalmente digital. Essa integração também reduz o tamanho e a projeção dos dispositivos de visão noturna, aprimorando sua eficiência operacional.
KOPN Gráfico de preços
Com uma capitalização de mercado de US$ 74,23 milhões, as ações da empresa estão sendo negociadas a US$ 0,65, queda de 69,77 % no ano. Possui um EPS (TTM) de -0,40 e um P/E (TTM) de -1,53. No 2T de 2024, a Kopin reportou US$ 12,3 milhões em receita, um aumento de 18 % em relação ao mesmo trimestre do ano passado. A receita de produtos da empresa subiu 84 %, com receita de produtos de defesa aumentando US$ 5,4 mi e receita de produtos industriais aumentando US$ 0,3 mi. O custo das receitas de produtos foi de US$ 8,7 mi, representando 79 % das receitas líquidas de produtos, queda de 95 % no 2T23. Durante o trimestre, o prejuízo líquido foi de (US$ 5,9) mi ou (US$ 0,05) por ação.
Segundo o CEO Michael Murray:
“(Cinco novos clientes fizeram pedidos de desenvolvimento, proporcionando) oportunidades de receita de produção de vários milhões de dólares por ano no futuro.”
Ele ainda compartilhou que recebeu o projeto, desenvolvimento e produção do sistema Next Generation‑Short Range Interceptor (NG‑SRI) do Exército dos EUA, que começará em 2027. Outros contratos envolvem pesquisa de abordagens ópticas para Sistemas de Aumento Visual para o Exército dos EUA e criação de uma forma de reduzir o tamanho e peso das ópticas necessárias em sistemas avançados de sensores para a Marinha dos EUA.
#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)
Esta empresa de defesa está envolvida no desenvolvimento de óculos avançados de visão noturna, sistemas de imagem térmica e outros sistemas eletro‑ópticos para usos militares e civis.
Neste mês, a Elbit Systems (ESLT ) assinou um contrato de US$ 28 mi com o Exército dos EUA para dispositivos monoculares de visão noturna AN/PVS‑14 montados em capacete, que permitem aos soldados mover‑se rapidamente à noite. O dispositivo incorpora um iluminador infravermelho e lentes de alta ampliação para capturar imagens nítidas em condições de pouca luz e até 150 metros. Este acordo segue um contrato de US$ 12 mi que a empresa assinou para fornecer um número não divulgado de dispositivos AN/PVS‑14 ao exército. Antes disso, em 2021, o exército e a Elbit tinham um acordo de US$ 54 mi para os mesmos dispositivos.
ESLT Gráfico de preços
Com uma capitalização de mercado de US$ 8,5 bi, as ações da empresa são negociadas a US$ 192,24, queda de 9,85 % no ano. Possui um EPS (TTM) de 5,44, um P/E (TTM) de 35,35 e um dividend yield de 1,04 %. No 2T de 2024, a Elbit reportou uma receita de US$ 1,6 bi, lucro líquido GAAP de US$ 78 mi, lucro líquido Non‑GAAP de US$ 93 mi, e um backlog de pedidos de US$ 21,1 bi. O fluxo de caixa dos seis meses que terminaram em 30 de junho de 2024 foi de US$ 26,0 mi, queda em relação aos US$ 210,7 mi registrados no final do primeiro semestre do ano passado devido ao aumento de estoques e contas a receber.
Falando sobre o aumento de 12 % YoY nas receitas, seu CEO Bezhalel (Butzi) Machlis disse:
“A demanda contínua e alta por nossos produtos e soluções reforça nossa posição como líderes da indústria.”
Conclusão
A tecnologia de visão noturna cresceu exponencialmente nos últimos anos, oferecendo benefícios como maior compactação, consumo reduzido de energia e clareza de imagem aprimorada. O desenvolvimento de dispositivos finos baseados em OLED, câmeras inspiradas em gatos e metasuperfícies avançadas destaca a importância de pesquisas contínuas para alcançar resultados ainda melhores, o que pode expandir ainda mais as aplicações potenciais da visão noturna, inclusive ajudando‑nos a compreender mais profundamente o mundo ao nosso redor.
