Urządzenie, węższe od ludzkiego włosa, wzmacnia i przekształca światło bliskiej podczerwieni w światło widzialne, zapewniając zarówno niskie zużycie energii, jak i dłuższą żywotność baterii.
Naukowcy z Uniwersytetu Michigan opracowali nowy typ diod OLED (organicznych diod elektroluminescencyjnych), które mogą zastąpić nieporęczne gogle noktowizyjne lekkimi, niedrogimi okularami, czyniąc je bardziej praktycznymi w przypadku długotrwałego użytkowania.
Efekt pamięci w diodach OLED może również doprowadzić do powstania komputerowych systemów wizyjnych, które zarówno wykrywają, jak i interpretują przychodzące sygnały świetlne i obrazy.
Obecne systemy noktowizyjne opierają się na wzmacniaczach obrazu, które przekształcają przychodzące światło bliskiej podczerwieni w elektrony, które następnie przyspieszają w próżni w cienki dysk zawierający setki maleńkich kanałów. Kiedy elektrony przechodzą przez ściany kanału i zderzają się ze nimi, uwalniają tysiące dodatkowych elektronów, a następnie uderzają w ekran fosforowy, który przekształca je w światło widzialne. Przychodzące światło jest w tym procesie wzmacniane 10 000 razy, dzięki czemu użytkownik widzi w nocy.
Nowe urządzenie OLED: lżejsze i bardziej wydajne
Nowo opracowane urządzenie OLED przekształca również światło bliskiej podczerwieni w światło widzialne i wzmacnia je ponad 100 razy, ale bez ciężaru, wysokiego napięcia i uciążliwej warstwy próżniowej wymaganej w przypadku tradycyjnych wzmacniaczy obrazu. Naukowcy twierdzą, że dzięki optymalizacji konstrukcji urządzenia możliwe jest znacznie większe wzmocnienie.
„Jedną z najbardziej atrakcyjnych cech tego nowego podejścia jest wzmocnienie światła w warstwie cienkiej folii o grubości mniejszej niż mikron. To znacznie cieńsze niż pasmo włosów, które ma około 50 mikronów grubości” – powiedział Chris Giebink, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz fizyki na UM, a także współautor badania opublikowanego niedawno w czasopiśmie Fotonika Przyrody.
Ponieważ urządzenie działa przy znacznie niższym napięciu niż tradycyjny wzmacniacz obrazu, otwiera drzwi do znacznego zmniejszenia zużycia energii, a tym samym wydłużenia żywotności baterii.
Urządzenie działa poprzez integrację warstwy pochłaniającej fotony, która przekształca światło podczerwone w elektrony, oraz pięciowarstwowy stos diod OLED, w których elektrony te są przekształcane w fotony światła widzialnego. W idealnym przypadku na każdy elektron przechodzący przez stos OLED wytwarzanych jest pięć fotonów.
Pozytywna pętla sprzężenia zwrotnego dla wzmocnienia
Część z tych fotonów jest emitowana do oka użytkownika, ale inne są ponownie wchłaniane w warstwie pochłaniającej fotony, wytwarzając jeszcze więcej elektronów, które przemieszczają się przez diodę OLED w cyklu dodatniego sprzężenia zwrotnego. Ta reakcja łańcuchowa znacznie wzmacnia ilość światła wyjściowego, która powstaje przy danej ilości światła wejściowego.
Poprzednie diody OLED były w stanie konwertować światło bliskiej podczerwieni na światło widzialne, ale nie zapewniały wzmocnienia, co oznaczało jedno wejście foton dał jeden foton wyjściowy.
„To pierwsza demonstracja dużego wzmocnienia fotonów w urządzeniu cienkowarstwowym” – powiedział Raju Lampande, stażysta podoktorski na Uniwersytecie Kalifornijskim w dziedzinie inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz główny autor badania.
Urządzenie wykazuje również pewnego rodzaju zachowanie pamięci, które może mieć zastosowanie w przetwarzaniu obrazu komputerowego. Moc świetlna, zwana histerezą, zależy od intensywności i czasu trwania poprzedniego oświetlenia wejściowego.
„Zwykle, gdy podświetlisz OLED z konwersją w górę, zaczyna on emitować światło, a gdy wyłączasz podświetlenie, przestaje ono emitować. To urządzenie może z czasem utknąć i zapamiętywać różne rzeczy, co jest niezwykłe” – powiedział Giebink.
Chociaż zachowanie pamięci stwarza pewne wyzwania w zastosowaniach noktowizyjnych, może stworzyć możliwość przetwarzania obrazu działającego bardziej na wzór ludzkiego układu wzrokowego – w którym neurony biologiczne przekazują sygnały lub nie, w oparciu o czas i siłę przychodzących sygnałów. Zdolność do zapamiętywania wcześniejszych danych wejściowych może sprawić, że te diody OLED będą dobrym kandydatem na typ połączeń neuronopodobnych, które umożliwiają interpretację i klasyfikację obrazu wejściowego bez konieczności przetwarzania danych w osobnej jednostce obliczeniowej.
Naukowcy wyprodukowali urządzenie, korzystając z „gotowych” materiałów i metod, które są już szeroko stosowane w produkcji diod OLED, co powinno poprawić zarówno opłacalność, jak i skalowalność na potrzeby przyszłych zastosowań tej technologii.
Odniesienie: „Organiczne diody elektroluminescencyjne i konwertery podwyższające z dodatnim sprzężeniem zwrotnym” autorstwa Raju Lampande, Jona-Paula S. DesOrmeaux, Adriana Pizano, Jonathona R. Schrecengosta, Roberta Cawthorna, Huntera Bowmana, Alexa Grede, Urcana Gulera, Johna W. Hamera i Noela C. Giebinka, 13 września 2024 r., Fotonika Przyrody.
DOI: 10.1038/s41566-024-01520-0
Prace prowadzono we współpracy z OLEDWorks, firmą produkującą produkty oświetleniowe OLED, oraz RTX, wykonawcą z branży lotniczej i obronnej. Technologia oczekuje na opatentowanie przez OLEDWorks i Penn State University, gdzie badania rozpoczęły się, zanim Giebink przeniósł się do UM. Badania te zostały sfinansowane przez DARPA (Nagroda nr HR0011-22-C-0053).
