En sensor inspireret af slangers varmedetektering
Forskere har udviklet en infrarød sensor, der efterligner den måde, slanger opfanger varme fra deres bytte på. Enheden fungerer i 4K-opløsning, kræver intet kompliceret kølesystem og kan integreres i masseproducerede kameraer og smartphones.
Evnen til at se i det infrarøde spektrum har hidtil krævet dyre apparater med komplekse kølesystemer. Forskere fra kinesiske videnskabelige institutter har dog skabt en sensor, der ændrer spillets regler fuldstændigt — inspireret direkte af naturen.
Sådan ser slanger varme, og hvorfor det inspirerede forskerne
Visse slangearter jager om natten ved hjælp af en særlig sans — de opfanger varmestråling fra byttet. Mellem øjet og næseboret har de specielle gruber med en tynd hinde, der reagerer på minimale temperaturforskelle.
Når infrarød stråling rammer denne hinde, opvarmes dele af den ganske let. Den termiske reaktion omdannes til et nerveimpuls, og i slangens hjerne opstår noget, der minder om et "varmebillede", som kombineres med det klassiske syn. Dyret ser altså både former og et "temperaturkort" på én gang.
Et team fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics overførte denne mekanisme til elektronik. I stedet for en biologisk hinde anvendte de et lag halvledermaterialer, som opfanger infrarød stråling og omdanner den til et elektrisk og derefter optisk signal. Hele arkitekturen er designet med det formål at efterligne sansorganets funktion så præcist som muligt — men i materialer, der er kompatible med nutidens CMOS-matricer.
Den nye sensor fungerer som en digital udgave af slangens varmegrubbe — den opfanger passivt varme og skaber et skarpt billede af omgivelsernes temperaturer. Forskerne offentliggjorde deres resultater i et fagfællebedømt tidsskrift og understregede, at teknologien er klar til kommerciel anvendelse.
Ultratynd konstruktion: sådan omdannes varme til grønt lys
Nøglen til den nye teknologi er lag med en tykkelse på blot nogle få nanometer. Det grundlæggende element udgøres af såkaldte kvantetråde af kviksølvtellurid. Det er mikroskopiske partikler, hvis størrelse kan reguleres præcist — og dermed også rækkevidden af de registrerede bølgelængder. I dette tilfælde drejer det sig om stråling omkring 4,5 mikrometer, hvilket er det typiske område, hvor et varmt menneskeligt legeme eller en bilmotor "lyser".
At opfange den infrarøde stråling er dog kun halvdelen af udfordringen. Et kritisk problem med traditionelle termokameraer er de såkaldte mørkestrømme — støj fra sensorens egen opvarmning. Tidligere løste producenter dette ved at køle hele systemer ned til meget lave temperaturer, hvilket resulterede i store, dyre og skrøbelige enheder. Forskerne valgte en anden vej.
Mellem kvantetrådene og resten af kredsløbet indsatte de en barriere af zinkoxid og den specielle polymer P3HT. Dette filter blokerer signaler forårsaget af tilfældig opvarmning af elektronikken, men slipper de signaler igennem, som faktisk udløses af infrarød stråling fra omgivelserne.
Det næste trick er endnu mere fascinerende. I stedet for straks at sende det elektriske signal til behandlingselektronikken placerede forskerne et lysende lag oven på sensoren. Det indeholder fosforescerende forbindelser med iridium, som omdanner strømmen til stabilt grønt lys. Netop dette lysbillede registreres af en standard CMOS-matrice som i et almindeligt kamera.
Hvilke tekniske specifikationer opnår den nye infrarøde sensor
Hele systemet er integreret med en klassisk CMOS-sensor i 4K-opløsning, det vil sige 3840 × 2160 pixel. Inden for termisk billeddannelse repræsenterer det et kvalitativt spring. Høj opløsning har hidtil været forbeholdt dyre systemer med kølede detektorer.
Under testene registrerede den nye sensor tydelige billeder selv ved meget svage infrarøde signaler. Forskerne målte både det nær-infrarøde område (SWIR) og det mellemste (MWIR). Billedets lysstyrke nåede op på cirka 6.388 cd/m² for SWIR og 1.311 cd/m² for MWIR, hvilket betyder, at kameraet håndterer krævende scener, hvor traditionelle sensorer kun ser sort.
Det dynamiske område er ligeledes vigtigt — forskellen mellem det mørkeste og det lyseste punkt, der kan optages uden tab af detaljer. For SWIR var det 38 dB og for MWIR 33 dB. Det giver mulighed for samtidigt at opfange meget varme elementer som en motor og et markant koldere baggrund eller menneskelige silhuetter uden overeksponering.
Det lykkedes skaberne at opnå en foton-til-foton-konverteringseffektivitet på over 6 procent i det nær-infrarøde område ved stuetemperatur. I dette segment er det et meget solidt resultat i betragtning af fraværet af køling og konstruktionens miniatureformat.
Den nye sensor kan detektere signaler så svage som 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter — en intensitet svarende til lysstyrken af stjerner set fra Jorden. En så høj følsomhed åbner vejen for anvendelser i næsten fuldstændig mørke og overalt, hvor det menneskelige øje holder op med at opfatte noget som helst.
Hvor den nye teknologi kan anvendes i praksis
At udvide sensorens synlige område fra typisk 0,4–0,7 mikrometer til cirka 4,5 mikrometer ændrer kameraers muligheder radikalt. De begynder at fungere effektivt i situationer, der er problematiske for almindelig optik: i tåge, i røg, i fuldstændigt mørke eller ved kraftige refleksioner fra metaller og glasoverflader.
Allerede nu tegner der sig flere områder, hvor sådanne løsninger kan finde vej til hverdagsbrug:
- Industri og infrastruktur — kontrol af overophedede komponenter, registrering af lækager og termiske skader uden at skille udstyr ad
- Landbrug — vurdering af planters sundhedstilstand, vandstress og sygdomme baseret på fine temperaturforskelle i blade
- Fødevaresikkerhed — overvågning af temperaturer og fugtighed i emballager, lagre og kølekæder
- Transport og selvkørende biler — registrering af fodgængere, dyr og forhindringer ved nulsynlighed på vejen
- Medicin — overvågning af betændelsestilstande, kredsløbsforstyrrelser eller helingsprocesser i realtid via miniaturitykameraer
- Byggeri — lokalisering af kuldebroer, luftlækager og fugt i bygningers vægge
- Brandmænd og redningsmandskab — lokalisering af personer i røgfyldte rum eller under murbrokkerne
Efterhånden som produktionsomkostningerne falder, kan den samme teknologi trænge ind i masseforbrugerudstyr: smartphones, bærbare sportkameraer, droner og endda intelligente husholdningsapparater.
Smartphone som lommetermokamera
Sensorens skabere understreger, at deres konstruktion er kompatibel med eksisterende produktionslinjer til CMOS-matricer. Der er hverken behov for at bygge nye fabrikker eller oprette separate moduler. I praksis betyder det en reel mulighed for at integrere infrarøde lag direkte i fremtidige generationer af smartphone-kameraer.
De mulige anvendelsesscenarier i telefoner er meget brede. Du kan tjekke, om dit barn har feber, uden at vække det med et termometer. Kameraet kan identificere en overophedet ladeadapter eller en defekt stikkontakt, inden den forårsager brand. Ved bilreparationer kan du afsløre et problematisk sted i kølesystemet eller en motor, der brænder olie.
Derhjemme kan du finde skjulte varmelækager omkring vinduer eller døre og dermed spare på opvarmningen. Når du lufter hunden om natten, kan du se fritgående dyr eller mennesker gemt bag buske. På fjeldferie kan du via et temperaturkort af overfladen afgøre, hvor isen på en sø er farligt tynd.
Det, som dyre industrielle kameraer gør i dag, kan en almindelig telefon måske gøre i morgen — og det i 4K-kvalitet, uden stativ, tunge kabinetter og kølesystemer.
Spørgsmål om privatliv og sikkerhed ved masseudbredelse
En ny type syn i lommen er ikke kun bekvemmelighed. Der rejser sig også alvorlige spørgsmål. Et kamera, der kan se varme gennem visse materialer, kan krænke privatlivets fred, hvis det havner i hænderne på folk med onde hensigter. Lovgivningen vil skulle fastslå, hvordan sådanne data må anvendes, i hvilken opløsning og i hvilke situationer.
Sundhedsspørgsmålet melder sig ligeledes. Selve sensoren arbejder passivt — den udsender ikke kraftig stråling, men modtager den blot. Et muligt problem er snarere mængden af ekstra elektronik pakket ind i telefonens tætte hus og den deraf følgende opvarmning. Her har producenterne ansvaret for fornuftigt at håndtere varmeafledning og energiforbrug.
For brugerne kan det også være afgørende, hvordan kunstig intelligens-systemer forbinder data fra det klassiske kamera med den termiske sensor. En telefon vil potentielt automatisk kunne genkende personer i røg eller bag en svagt oplyst udstillingsrude, markere farligt varme genstande eller hjælpe redningsfolk med at finde mennesker i en bygning. Forskerne påpeger, at teknologien i sig selv er neutral — det afgørende er, hvordan samfundet regulerer og anvender den.
