En sensor inspireret af slanger kan give smartphones varmesyn
Forskere har udviklet et sensorsystem, der efterligner slangernes evne til at opfange varme og omsætter infrarød stråling direkte til skarpe 4K-billeder. Det, der hidtil kun var forbeholdt dyrt militærudstyr og industrikameraer, kan en dag havne i din telefon – helt uden klodset køling eller specialoptik.
Hvad slanger kan, som vi ikke kan
Visse slangearter, herunder grubehuggere, besidder et ekstra sanseorgan. De kan registrere varmekilder selv i fuldstændig mørke. Mellem øjet og næseåbningen sidder små gruber, hvor en ultratyn membran er ophængt. Når infrarød stråling – altså varme – rammer denne membran, opvarmes den minimalt, og nerverne sender signalet videre til hjernen.
Dyret kombinerer denne information med sit normale syn. Resultatet er en slags dobbeltbillede bestående af synligt lys og en infrarød varmesignatur. På den måde kan slangen spotte bytte, der gemmer sig bag blade, i halvmørke eller i underskov.
Præcis dette princip har et team fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics genskabt teknisk. Målet var en sensor, der registrerer varme på samme måde som slangemembranen – men placeret på en klassisk kamerachip.
Et dyreligt jagtinstinkt er blevet til en billedteknologi, der kan passe ned i en lomme.
Fra slangegruber til nano-chip
I stedet for en biologisk membran anvender den nye sensor en kompleks lagdeling af halvledere og nanomaterialer. I centrum står såkaldte kvantefyrtårne af kviksølvtellurid (HgTe). Det er bittesmå partikler, hvis størrelse kan indstilles præcist. Gennem denne størrelse kan man styre, hvilket infrarødt område de reagerer mest følsomt på.
Chippen dækker bølgelængder op til 4,5 mikrometer. Den reagerer dermed både på kortbølget infrarødt lys – anvendt til materialekontrol – og på det område, hvor varme legemer som mennesker, dyr og motorer udsender stråling.
Et stort problem ved den slags infrarøde sensorer er egenstøj: Chippen selv bliver varm og producerer forstyrrende strømme, der slører billedet. Hidtil måtte mange højtydende sensorer køles ned med avancerede kølesystemer – dyrt, tungt og energikrævende.
Den kinesiske gruppe løser dette med en form for barrieреlag mellem kvantefyrtårnene og den underliggende elektronik. Denne barriere består af zinkoxid og et polymer kaldet P3HT. Den blokerer de fejlagtige strømme, men lader de reelle, infrarødt udløste signaler passere igennem.
Tricket med lysende stof: Varme bliver til grønt lys
I stedet for at aflæse signalerne direkte elektronisk går teamet et skridt videre. Oven på de elektriske lag ligger et yderligere lag med phosphorescerende materialer, herunder et iridium-kompleks. Det omsætter det elektriske signal til synligt, grønt lys.
Det har en simpel men genial effekt: Enhver almindelig CMOS-billedsensor – altså det, der sidder i smartphones, webkameraer og overvågningskameraer i dag – kan optage dette lys som et normalt billede. Usynlig varmestråling bliver dermed til en tydelig grøn fremstilling.
- Infrarødt lys rammer kvantefyrtårne og genererer ladningsbærere
- Isolationslaget filtrerer støjsignaler fra
- Det lysende lag omsætter signalet til synligt lys
- CMOS-chippen optager det færdige billede i 4K
Den såkaldte foton-til-foton-virkningsgrad – altså hvor mange af de indkommende infrarøde fotoner der frigives som synlige fotoner – ligger ifølge studiet på over seks procent. For et system uden køling er det en meget høj værdi.
4K-varmebilleder på standard-CMOS – uden køling
Det samlede system sidder på en normal CMOS-chip med 3840 × 2160 pixels. Dermed opnår sensoren ægte 4K-opløsning til infrarøde optagelser. I det hidtidige high-end-segment var sådanne opløsninger typisk kun mulige med kølede specialdetektorer.
Under testene leverede systemet detaljerede billeder selv ved meget svag infrarød stråling. Lysstyrken i de producerede billeder lå i det kortbølgede infrarøde område på over 6.000 candela pr. kvadratmeter og i det melleminfrarøde område stadig klart over 1.000 candela pr. kvadratmeter. For at sætte det i perspektiv: Det er lyst nok til, at en normal billedsensor kan producere et skarpt og støjsvagt billede.
Dynamikken er også bemærkelsesværdig – altså sensorens evne til simultaneously at fange meget mørke og meget lyse partier af samme motiv. Her opnår chippen 38 decibel i kortbølget og 33 decibel i melleminfrarødt. Det gør det muligt at afbilde eksempelvis en varm motorblok og en kølig baggrund i ét billede uden at miste detaljer i hverken de lyse eller mørke områder.
Særligt imponerende er det, at sensoren registrerer effekter i størrelsesordenen 10⁻¹⁰ watt pr. kvadratcentimeter. Det svarer til lysstyrker svarende til fjerne stjerner – værdier man normalt kun opnår med stærkt specialiserede astronomiske instrumenter.
Hvor denne teknologi sandsynligvis dukker op først
Inden telefoner ser i mørke som slanger, vil teknologien sandsynligvis først slå igennem i professionelle sammenhænge. Det udvidede spektrum – fra cirka 0,4 til 4,5 mikrometer – åbner nemlig for mange anvendelser, hvor normale kameraer kommer til kort.
Industri, sikkerhed og forskning
- Industriinspektion: Revner, overophedning eller materialefejl i maskiner bliver synlige som temperaturforskelle – selv gennem visse dæksler.
- Farlige omgivelser: Kemiske anlæg, raffinaderier og tunnelanlæg kan overvåges uden at folk konstant skal befinde sig på stedet.
- Landbrug: Plantestress, tørke eller svampeangreb viser karakteristiske varmemønstre, der kan opdages tidligt.
- Fødevarekontrol: Temperatur- og fugtighedssvingninger i emballage kan afsløres uden at åbne den.
I biler kunne sådanne sensorer genkende fodgængere, dyr eller tabte genstande, der forsvinder i tåge, modlys eller mørke for et normalt kamera. Særligt for autonome køretøjer ville det udgøre et ekstra sikkerhedsniveau.
Medicin og hverdagsteknologi
Inden for medicinen åbner teknologien for kompakte, endoskoplignende kameraer, der kan følge betændelsestilstande eller kredsløbsforstyrrelser ud fra temperaturmønstre. I stedet for store varmebilledkameraer kunne man bruge miniaturemoduler integreret direkte i instrumenter eller endda wearables.
I hjemmet er anvendelser som intelligent varmestyring, der kortlægger den faktiske varmefordeling i et rum, eller sikkerhedskameraer, der i mørke ikke blot registrerer bevægelse men skelner kropsvarme – for eksempel menneske versus kæledyr – absolut tænkelige scenarier.
Hvornår kommer det i smartphones?
Forskerne understreger, at deres konstruktion kan fremstilles med eksisterende produktionsmetoder. Der er altså ikke behov for helt nye gigantfabrikker – grundteknologien ligner det, chipindustrien allerede anvender. Det sænker potentielt omkostningerne markant.
For smartphones er tre faktorer afgørende: plads, strømforbrug og pris. Den præsenterede chip opfylder mindst to af dem ret godt. Den kræver ingen aktiv køling og bygger på standard-CMOS-strukturer. Dermed krymper komponenten til en størrelse, der teoretisk passer ind i et kameramodul.
De typiske forhindringer mellem laboratorium og massemarked er stadig uafklarede: holdbarhed i daglig brug, langtidsstabilitet for nanomaterialerne samt produktionsudbytte i store mængder. Derudover skal telefonfabrikanter se en reel merværdi for at ofre kostbar plads i enheden.
Realistisk set vil det første skridt sandsynligvis være specialsmartphones til brandmænd, teknikere, outdoor-entusiaster eller sikkerhedsfolk. Der er varmebilleder allerede værdifulde i dag – men modulerne er klodset store og leverer grove farveflader frem for skarpe 4K-detaljer.
Hvad man bør vide om infrarødt lys og kvantefyrtårne
Mange af begreberne lyder abstrakte, men optræder faktisk allerede i hverdagsudstyr. Kvantefyrtårne kender man eksempelvis fra QLED-fjernsyn, der bruger dem til at producere særligt kraftige farver. I den aktuelle sensor arbejder de på lignende vis – blot i det usynlige område for at opfange minimale energimængder.
Infrarødt lys er i sig selv ikke noget eksotisk: Enhver varm kop kaffe, enhver husmur og ethvert menneske udsender konstant infrarød stråling. Normale kameraer afskærer næsten fuldstændigt dette område, så billedet ser naturligt ud. Den nye tilgang udvider dette "synsfelt" uden at opgive den klassiske farvegengivelse – infrarødinformationen oversættes simpelthen til klart grønt lys som et ekstra lag.
Præcis dette skridt gør teknologien så fascinerende: I stedet for abstrakte, svært aflæselige termogrammer opstår varmebilleder, der ligner normale optagelser – blot med et ekstra informationsniveau. For mange anvendelser er et software-overlay tilstrækkeligt, der lægger de grønne varmeinformationer halvtransparent hen over det klassiske videobillede.
Dermed nærmer et scenarie sig, der for blot få år siden lød som science fiction: Telefonen viser ikke kun det, der er foran os, men også hvad der er varmt bagved – gennem let tåge, tyndt plastik, bestemte glastyper eller siliciumplader. En slange ville nok bare nikke anerkendende.
