Revolutionerar nattsyn: OLED‑teknik banar väg för lätta, högteknologiska lösningar

Har du någonsin undrat om de nattsynsgoggles i filmer fungerar? Kan du verkligen se i mörkret? Svaret är ja—de fungerar, vilket gör att du kan se i mörkret. Detta möjliggörs av nattsynsteknologi. Men hur fungerar det? 

Först måste vi förstå att mängden energi i en ljusvåg är relaterad till dess våglängd. Om en våglängd är kortare har den högre energi, och vice versa. 

I synligt ljus har rött den lägsta energin, medan violett har mest. Infrarött ljus, å andra sidan, omfattar nära‑infrarött (near‑IR) med våglängder i intervallet 0,7–1,3 mikron, mellaninfrarött (mid‑IR) med våglängder mellan 1,3 och 3 mikron, samt termiskt infrarött (thermal‑IR) med våglängder från 3 mikron till över 30 mikron.

Till skillnad från Near‑IR och mid‑IR, som används av olika elektroniska enheter, emitteras termisk‑IR av ett föremål snarare än reflekteras från det. 

Så möjliggör nattsynsteknologi syn i mörkret genom att antingen förstärka tillgängligt ljus eller detektera infraröd strålning. Nattsynsenheter fångar ljusfotoner och förstärker dem för att skapa en synlig bild eller detekterar infraröd strålning som avges av föremål och omvandlar den till en synlig bild. 

Nattsynsutrustning—inklusive kikare, goggles och kameror—används ofta inom militären, övervakning, navigation, brottsbekämpning, jakt, viltobservation, upptäckt av dolda föremål och säkerhet.

Drivet av den växande efterfrågan inom olika tillämpningar och tekniska framsteg, är marknadsstorleken för nattsynsenheter projicerat att växa från 8,68 mlrd $ 2024 till 12,74 mlrd $ 2029.

Ny upptäckt: Papperstunn OLED för kompakt, lätt NV

Mitt i detta har forskare från University of Michigan har skapat en ny typ av OLED som är tunnare än papper och potentiellt kan ersätta skrymmande nattsynsgoggles med lätta glasögon. Detta kan göra NV‑glasögon billigare och mer praktiska för långvarig användning.

Källa: University of Michigan

Organiska ljusemitterande dioder, eller OLEDs, är bland de mest framgångsrika organiska elektroniska enheterna och dominerar marknaden för mobila skärmar. De expanderar också till bilindustrin, bärbara enheter och ett brett spektrum av belysningsapplikationer. Smartphone‑skärmar, såsom de i iPhone, använder denna typ av ljus.

Mot denna bakgrund presenterade studien en ny klass av organiska ljusemitterande enheter som visar bistabilitet på grund av positiv fotonisk återkoppling mellan en organisk fotodiod och en tandem‑OLED integrerad i samma lagerstack. 

Finansierad av DARPA, forskningen gjordes i samarbete med flyg‑ och försvarskoncernen RTX och OLEDWorks, ett företag som tillverkar OLED‑belysningsprodukter. OLEDWorks och Penn State University, där studien ursprungligen startade innan dess motsvarande författare, Chris Giebink, flyttade till U‑M., arbetar för närvarande med att patentera teknologin.

Konventionella nattsynssystem förlitar sig på bildintensifierare för att förstärka inkommande ljus. Den nya OLED‑enheten gör också det—den omvandlar nära‑IL till synligt ljus och förstärker det över 100 gånger. OLED‑enheten gör dock allt detta utan den höga spänning, vikt och det besvärliga vakuumlager som krävs i traditionella bildintensifierare. För att uppnå hög förstärkning fokuserade forskarna istället på att optimera enhetens design.

Enligt Giebink, U‑M professor i elektroteknik och datorteknik samt fysik, är en fascinerande funktion i det nya tillvägagångssättet att ljuset förstärks i en tunn filmstack, mindre än en mikron (0,001 mm) tjock. Detta är betydligt tunnare än ett enskilt hårstrå, som har en tjocklek på omkring 50 mikron.

Genom att arbeta med en mycket lägre spänning än en konventionell bildintensifierare minskar enheten energiförbrukningen, vilket i sin tur förlänger batteritiden.

Tekniskt sett fungerar den nya OLED‑enheten genom att kombinera ett fotonabsorberande lager med en stapel av OLEDs med fem lager. Det fotonabsorberande lagret omvandlar IL till elektroner, medan OLED‑lagret omvandlar elektronerna till synliga ljusfotoner. 

Idealiskt genereras fem fotoner för varje elektron som passerar genom OLED‑stapeln. Vissa av dessa fotoner emitteras till användarens öga, medan andra återabsorberas tillbaka i det fotonabsorberande lagret.

På detta sätt genererar systemet fortfarande fler elektroner som åter rör sig genom OLED, vilket skapar en positiv återkopplingscykel som kraftigt ökar mängden utsläppsljus som resultat av en given mängd insignal.

Medan OLEDs i tidigare försök har kunnat omvandla nära‑infrarött ljus till synligt ljus, har det inte funnits någon förstärkning. Detta betyder att vi fick endast en utslippsfoton från en insignal. Enligt studiens huvudförfattare, Raju Lampande, postdoktoral forskningsassistent vid U‑M i elektroteknik och datorteknik:

Detta markerar den första demonstrationen av hög fotonförstärkning i en tunnfilm‑enhet.

Men detta är inte slutet på enhetens möjligheter. Den visar faktiskt ett minnesbeteende som kan ha tillämpningar även i datorvisionssystem. Detta beteende kallas hysteresis, där ljusutgången vid ett givet ögonblick beror på intensiteten och varaktigheten av tidigare ljusinslag.

Så, i ett “ovanligt” drag, förblir den nya OLED‑enheten påslagen och kommer ihåg saker över tid. Detta är annorlunda än den normala situationen där upconversion‑OLED:n börjar avge ljus när den belyses, men slutar när belysningen stängs av.

Enhetens minnesbeteende medför vissa utmaningar för NV‑applikationer, men det kan skapa en möjlighet för bildbehandling som fungerar mer som det mänskliga visuella systemet. I det systemet överför biologiska neuroner signaler beroende på tidpunkten och styrkan hos inkommande signaler. 

Den nya OLED:ens förmåga att komma ihåg tidigare insignal kan också göra den användbar för vissa typer av neuronliknande kopplingar. Dessa kopplingar möjliggör att en inmatningsbild kan tolkas och klassificeras utan att bearbeta data i en separat beräkningsenhet.

OLED‑enheten tillverkades av forskarna med material och metoder som redan är allmänt använda i OLED‑tillverkning. På så sätt har den potential för kortsiktig användning i nya typer av display‑ och upconversion‑bildapplikationer, samt att erbjuda en ny plattform för bildigenkänning och neuromorfisk optoelektronik.

Att utnyttja befintliga material och processer redan tillgängliga kan också avsevärt förbättra kostnadseffektiviteten och skalbarheten för teknologin för framtida tillämpningar.

Andra nattsynsinnovationer

Bland de pågående innovationerna inom NV har ett team av ingenjörer nyligen inspirerats av katters optiska system för att utveckla en ny typ av kamera som kan fånga bilder i mörkret. Enheten kan också se igenom kamouflage, vilket gör den användbar i långtgående tillämpningar såsom militära drönare.

Så, katters ögon lyser i ett mörkt rum, vilket sker eftersom kattens öga har ett tapetum lucidum, en struktur som reflekterar ljus. Katternas näthinna absorberar inte bara ljuset som träffar den direkt utan också det som reflekteras av tapetum lucidum, vilket ger katterna förbättrad nattsyn.

Detta är inte allt. Huskatters ögon har ytterligare en egenskap, en vertikal pupill, vanlig bland rovdjur som lurar med liten kroppsstorlek. Den vertikala pupillen ger små kattdjur förbättrad djupseende. Dessa pupiller hjälper dem att fokusera på sitt mål samtidigt som de filtrerar bort bakgrundens oreda.

Så, för att återutveckla dessa strukturer, tillverkade ingenjörer från olika sydkoreanska universitet, ledda av Young Min Song, professor vid Gwangju Institute of Science and Technology, en vertikal kameraapertur. När den kombineras med en kisel‑fotodetektarray med silverreflektorer simulerade den den dubbla ljusabsorptionen av tapetum lucidum.

Enligt den nya forskningen, när den testades genom att rikta den mot ett gömt musformigt föremål på olika avstånd, lyckades enheten framgångsrikt särskilja formen trots kamouflage.

Dock är den inte felfri. Den manuellt tillverkade bildsensorn är inte lika skarp som den som katter naturligt har. Katteögonkamerans spaltliknande pupiller innebär att den har ett reducerat synfält. För att övervinna denna begränsning föreslår ingenjörerna enheter som använder denna kamera för att efterlikna kattens huvud‑ och axelmuskler för fullständig kattrörelseduplicering.

Detta är inte första gången forskare har tagit inspiration från naturen. Biologiskt inspirerad teknik är mycket populär och vanlig. Till och med linser har skapats på detta sätt, med biologin från bläckfisk, elefantnosfisk och mantisräka. Katteögon, i synnerhet, har löftet för mörka förhållanden och “potential för att underlätta införandet av mobila robotar i en mängd okonventionella robotapplikationer genom att ersätta människor” i övervakningsrobotar, obemannade fordon och militära drönare, noterade studien.

För några månader sedan tog en annan forskare ett nytt helt optiskt tillvägagångssätt för att förbättra infraröd syn, vilket revolutionerade nattsynstekniken. För detta skapade Australian Research Council Centre of Excellence for Transformative Meta‑Optical Systems (TMOS) ett extremt tunt infrarött filter.

Eftersom det är tunnare än en plastfolie kan det till och med placeras ovanpå glasögonen, vilket tillåter bäraren att se både infraröda och synliga ljusspektrumet samtidigt. Den nya teknologin skulle minska vikten av teknologin avsevärt, till mindre än ett gram.

Med sådana fördelar kan den resulterande teknologin hitta betydande möjligheter inom biologisk bildövervakning och autonoma navigationsindustrier.

För forskning använde teamet upconversion‑teknik baserad på metasurface för att underlätta bearbetning av ljusfotoner. Här färdas fotonerna genom en resonant metasurface och blandas med en pumpstråle.

Användningen av icke‑lokal litiumniobat‑metasurface förbättrar fotonernas energi och, istället för att först omvandla dem till elektroner, drar de in dem i det synliga ljusspektrumet. Detta eliminerar behovet av kryogen kylning, vilket minskar ‘bruset’ för skarpare bilder i konventionell NV och kan därmed sätta ett slut på dessa goggles bulkighet. 

Detta är den första demonstrationen av högupplöst up‑conversion‑bildning från 1550‑nm infrarött till synligt 550‑nm ljus i en icke‑lokal metasurface.

– Rocio Camacho Morales, studiens författare

När det gäller beslutet att använda dessa våglängder noterade Camacho att 1550 nm vanligtvis används för telekommunikation medan människans öga är mycket känslig för den andra. I sin framtida forskning kommer teamet att utöka våglängdsområdet som enheten är känslig för med målet att “uppnå bredbands‑IR‑bildning, samt utforska bildbehandling, inklusive kantdetektering”.

Företag som driver NV‑tekniken framåt

I nattsynsteknologins värld hjälper företag som L3Harris Technologies (LHX ) (NYSE: LHX), BAE Systems (BSP.DE ) (OTC: BAESY) och Leonardo till att driva området framåt.

Bland dessa är L3Harris en stor aktör inom försvar och rymd, som producerar avancerade nattsynsgoggles och system för militär och brottsbekämpning. BAE Systems utvecklar också nattsyns‑ och infraröda bildteknologier för militära tillämpningar, liknande Leonardo, vars nattsynsutrustning—inklusive bildintensifierare och termiska bildsystem—betjänar försvars‑, säkerhets‑ och rymdsektorerna.

Sedan finns FLIR Systems, nu en del av Teledyne Technologies (TDY ) (NYSE: TDY), som producerar termiska bild‑ och infraröda kameror som används i nattsynssystem över olika sektorer. Raytheon Technologies (NYSE: RTX) är särskilt känt för att producera infraröda och termiska bildsystem, vilka är avgörande för NV‑förmågor inom militären och flygsektorn.

Låt oss nu titta närmare på företagen som hjälper till att driva tekniken framåt:

#1. Kopin Corporation (NASDAQ: KOPN) 

En nyckelaktör i att driva nattsynsteknik framåt, Kopin specialiserar sig på utveckling av mikroskärmar och bärbar teknik, inklusive heads‑up displays (HUD), som är kritiska komponenter i moderna NV‑system. 

I maj säkrade företaget ett kontrakt från en oidentifierad försvarskund för att utveckla ett låglatens digitalt nattsynssystem som integrerar deras OLED‑mikroskärmsteknik. Analoga NV‑goggles har använts i militära operationer i över två decennier. Genom att utnyttja effektiva digitala sensorer och avancerade OLED‑mikroskärmar syftar det nya projektet till att förbättra NV‑förmågor med ett helt digitalt system. Denna integration minskar också storleken och projektionen av nattsynsenheter, vilket förbättrar deras operativa effektivitet.

Med ett börsvärde på 74,23 miljoner $, handlas företagets aktier för närvarande till 0,65 $, ner 69,77 % år‑till‑datum. Det har ett EPS (TTM) på -0,40 och ett P/E (TTM) på -1,53. För Q2 2024 rapporterade Kopin 12,3 miljoner $ i intäkter, en ökning med 18 % jämfört med samma kvartal föregående år. Företagets år‑till‑år produktintäkter ökade med 84 %, med intäkter från försvarsprodukter som ökade med 5,4 mln $ och en ökning med 0,3 mln $ i industriella produktintäkter. Kostnaden för produktintäkter uppgick samtidigt till 8,7 miljoner $, vilket är 79 % av netto produktintäkter, ner från 95 % i 2Q23. Under kvartalet var nettoförlusten (5,9) miljoner $ eller (0,05) $ per aktie.

Enligt VD Michael Murray:

“(Fem nya kunder har lagt utvecklingsorder, vilket ger) betydande fler‑miljondollar per år i produktionsintäktsmöjligheter i framtiden.”

Han delade vidare att han tilldelats design, utveckling och produktion av US Army’s Next Generation‑Short Range Interceptor (NG‑SRI) system, som kommer att starta 2027. Andra kontrakt involverar forskning av optiska metoder för Visual Augmentation Systems för US Army och att skapa ett sätt att minska storlek och vikt på optik som behövs i avancerade sensorsystem för US Navy.

#2. Elbit Systems (NASDAQ: ESLT)

Detta försvarsföretag är involverat i utveckling av avancerade nattsynsgoggles, termiska bildsystem och andra elektro‑optiska system för både militära och civila användningar.

Denna månad skrev Elbit Systems (ESLT ) under ett kontrakt på 28 mln $ med US Army för ytterligare hjälmmonterade, AN/PVS‑14 monokulära nattsynsenheter som tillåter soldater att snabbt röra sig på natten. Enheten innehåller en infraröd illuminator och högförstoringslinser för att fånga tydliga bilder i svagt ljus och på upp till 150 meter. Detta avtal följer ett tidigare kontrakt på 12 mln $ som företaget skrev för att leverera ett oklart antal AN/PVS‑14‑enheter till armén. Före detta, år 2021, hade armén och Elbit ett avtal på 54 mln $ för samma enheter.

Med ett börsvärde på 8,5 mlrd $, handlas företagets aktier till 192,24 $, ner 9,85 % år‑till‑datum. Det har ett EPS (TTM) på 5,44, ett P/E (TTM) på 35,35 och en utdelningsavkastning på 1,04 %. För Q2 2024 rapporterade Elbit rapporterade en intäkt på 1,6 mlrd $, GAAP nettoresultat på 78 mln $, Non‑GAAP nettoresultat på 93 mln $, och en orderbok på 21,1 mlrd $. Kassaflödet för de sex månaderna som slutade den 30 juni 2024 var 26,0 mln $, ner från 210,7 mln $ som registrerades i slutet av första halvan av föregående år på grund av ökade lager och handelsfordringar.

När det gäller företagets 12 % år‑till‑år ökning i intäkter sade VD Bezhalel (Butzi) Machlis:

“Den kontinuerliga höga efterfrågan på våra produkter och lösningar förstärker vår position som branschledare.”

Slutsats

Nattsynsteknologi har vuxit exponentiellt de senaste åren och erbjuder fördelar som ökad kompaktitet, minskad energiförbrukning och förbättrad bildklarhet. Utvecklingen av tunna OLED‑baserade enheter, katt‑inspirerade kameror och avancerade metasurfaces understryker vikten av fortsatt forskning för att uppnå ännu bättre resultat, vilket kan utvidga de potentiella tillämpningarna av nattsyn ännu mer, inklusive att hjälpa oss att få en djupare förståelse för världen omkring oss.

Klicka här för att lära dig hur infraröda kvantprickar kan hjälpa oss att bygga nästa generations bildtekniker.