En teknologi fra science fiction er nu virkelighed
Det lyder som noget fra en fremtidsfilm – men det er allerede en realitet. Forskere har udviklet et miniaturiseret termovisionssystem i 4K-kvalitet, der fungerer uden tunge køleenheder og kan integreres direkte i almindelige mobilkameraer.
Hvor infrarødt syn tidligere var forbeholdt militæret og specialiserede redningshold, kan den nye teknologi forvandle en helt almindelig smartphone til et apparat, der registrerer varmestråling. Forskerholdet fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics lod sig inspirere af naturen – nærmere bestemt slangers evne til at jage i fuldstændig mørke.
Det lykkedes videnskabsmændene at skabe et ultratyndt lagmodul, som placeres direkte oven på en klassisk CMOS-sensor af den type, der kendes fra mobiltelefoner. Den afgørende egenskab? Det virker ved stuetemperatur og optager alligevel infrarød stråling i 4K-opløsning – noget der hidtil krævede køling med flydende kvælstof og et tungt kabinet.
Sådan ser en slange i mørket – og hvad ingeniører bruger det til
Visse slangearter jager om natten takket være evnen til at registrere varmestråling, altså den infrarøde del af spektret. Mellem øjet og næseboren har de en grube fyldt med en tynd, følsom membran. Når stråling fra varme objekter rammer membranen, opvarmes en lille del minimalt og udløser nerveimpulser.
Reptilens hjerne sammenkobler disse signaler med det, øjnene ser. Resultatet? Slangen får et varmekort over omgivelserne, hvor et lille byttedyrs krop klart skiller sig ud fra den køligere baggrund. Dette tokanalbillede gør det muligt at jage effektivt selv i fuldstændigt mørke.
De kinesiske forskere besluttede sig for at efterligne denne mekanisme elektronisk. Målet var at skabe et meget tyndt modul, der kan monteres direkte på en klassisk CMOS-sensor. Et sådant kunstigt slangeorgan behøver ingen køling og fanger alligevel infrarød stråling i en opløsning på 3840 × 2160 pixels.
Nanostrukturer, kvantetråde og grønt lys
Traditionelle termokameraer anvender typisk detektorer, der bliver kraftigt opvarmet og producerer meget elektronisk støj. Derfor er køling nødvendig, hvilket øger enhedens størrelse og pris markant. Forskerne valgte en anden vej – en ultratyn lagstruktur bygget af materialer i nanometerskala.
Kernen i den nye sensor er såkaldte kvantetråde af kviksølvtellurid. Disse ekstremt små halvledende partikler er følsomme over for infrarød stråling, og følsomheden kan reguleres ved at ændre deres størrelse. I dette projekt blev de indstillet til at opfange stråling op til en bølgelængde på cirka 4,5 mikrometer, hvilket dækker vigtige dele af det nær- og midtinfrarøde område.
Det største problem viste sig at være mørkestrømme – støj genereret af det opvarmede detektionselement selv. Denne støj kan overdøve det egentlige signal. Forskerne indsatte derfor en barriere af zinkoxid og den specielle polymer P3HT mellem kvantetrådene og resten af strukturen. Dette lag blokerer falske impulser og lader kun signaler fra ægte infrarød stråling passere igennem.
Et af de centrale tekniske gennembrud var at opnå stabilitet ved stuetemperatur. Ingeniørerne anvendte en specifik kombination af materialer:
- Kvantetråde af kviksølvtellurid til opfangning af infrarød stråling
- Barrierelag af zinkoxid til støjreduktion
- Polymeren P3HT, der sikrer selektiv signalgennemgang
- Iridium til udsendelse af synligt lys
- Standard CMOS-sensor til den endelige billedvisning
- Nanometертynde lag, der muliggør kompakt konstruktion
Fra usynlig varme til et klart grønt billede
Det er ikke nok blot at registrere en elektrisk strøm, når teknologien skal bruges i kompakte kameraer. Ingeniørerne tilføjede derfor endnu et smart element – oven på detektorstrukturen placerede de et lysudsendende lag baseret på iridiumforbindelser.
Når sensoren opfanger infrarød stråling og omdanner den til et elektrisk signal, udsender dette øverste lag et stabilt grønt lys. En almindelig CMOS-sensor kan allerede se dette lys uden problemer som et normalt billede i det synlige spektrum. Hele processen kaldes foton-til-foton-konvertering – usynlig infrarød stråling forvandles til et synligt billede.
Under testene nåede modulet en konverteringseffektivitet på over seks procent i det nærinfrarøde område – uden aktiv køling. For et så kompakt system er det et meget højt resultat. Forskerne fra begge kinesiske institutter understreger, at denne værdi repræsenterer et markant fremskridt i forhold til eksisterende ukølede sensorer.
4K i infrarødt på en almindelig CMOS-sensor
Den samlede lagede struktur blev påført en typisk CMOS-matrix med opløsningen 3840 × 2160 pixels. Det svarer til fuld 4K, som kendes fra fjernsyn og nyere mobiltelefoner. Hidtil har så høje opløsninger inden for infrarød billedbehandling været forbeholdt kølede og dyre specialkameraer, der primært anvendes i militæret og industrien.
Den nye sensor klarede flere centrale udfordringer under testene. Den registrerede tydelige detaljer selv ved meget svag infrarød stråling. Den fungerede i to bånd – det nær- og midtinfrarøde område. Den genererede et billede med tilstrækkelig klarhed til videre behandling og visning, fra cirka 1311 til 6388 candela per kvadratmeter.
Særligt bemærkelsesværdig er den ekstreme følsomhed. Systemet reagerer på signaler svarende til stjernernes lysstyrke – størrelsesordenen ti i minus tiende potens watt per kvadratcentimeter. Det er et niveau, hvor det menneskelige øje slet ikke har en chance, og et klassisk synligt kamera for det meste kun ser sort.
Forskerne fra Beijing fremhæver, at enheden opretholder god dynamik – den håndterer altså både mørke og meget lyse dele af en scene samtidigt. For praktisk brug i mobiltelefoner er lavt energiforbrug også afgørende, da modulet ikke kræver strøm til et kølesystem.
Hvad betyder det for den almindelige smartphonebruger
I praksis udvider den nye teknologi det almindelige sensors synsfelt fra det typiske område på 0,4 til 0,7 mikrometer til cirka 4,5 mikrometer. Med andre ord begynder kameraet at registrere områder, der normalt er fuldstændigt utilgængelige for øjet.
En sådan funktion ville kunne bruges i mange situationer i hverdagen. Sikkerhedsfolk og redningstjenester kan søge efter mennesker i røgfyldte rum, om natten eller i tåge. Hjemme ved en renovering kan du hurtigt finde ud af, hvor varmen siver ud af lejligheden, eller hvor rørene løber inde i væggen.
I bilindustrien ville en førerassistent kunne registrere fodgængere og dyr uden for forlygternes rækkevidde. Landmænd kan vurdere vanding og afgrødernes tilstand, synlig i subtile temperaturforskelle. Inden for medicin og fitness vil det muliggøre berøringsfri temperaturmåling, overvågning af blodgennemstrømning eller områder med forhøjet temperatur.
Yderligere anvendelsesmuligheder inkluderer:
- Registrering af overophedede elektriske apparater i hjemmet
- Kontrol af isolering i vinduer og døre
- Overvågning af kæledyrs og børns temperatur
- Søgning efter en tabt telefon via varmespor
- Natfotografering af vilde dyr uden forstyrrende lys
- Diagnosticering af mekaniske dele i biler
- Overvågning af madens temperatur under madlavning
- Identifikation af skimmelstedsforhold via temperaturanomalier
Forfatterne understreger, at modulet kan produceres på fabrikker, der allerede anvender linjer til fremstilling af klassiske CMOS-sensorer. Der er ikke behov for helt nye og kostbare installationer, hvilket straks øger chancerne for masseproduktion. Infrarødt syn kan dermed gå fra at være et militært gadget til at blive endnu en almindelig funktion i kameraets menu – ved siden af nattetilstand eller portrættilstand.
Vejen fra laboratoriet til lommen
Det betyder ikke, at enhver ny telefonmodel om lidt vil have et ægte termokamera. Der dukker mange spørgsmål op – hvordan man håndterer energiforbruget, om det kan betale sig for producenterne at tilføje et ekstra modul, og hvordan sådanne enheder skal klassificeres i forbindelse med regler om overvågningsudstyr.
Samtidig er der mange argumenter for. Modulet kræver ingen aktiv køling, så det er lettere at placere i et tyndt kabinet. Der er ikke behov for at ombygge hele fabrikker. Selve funktionen kan blive et differentieringselement i strategien – ligesom nattilstand eller optisk billedstabilisering engang var det.
Forskerne gør også opmærksom på spørgsmål om privatlivets fred. Når ægte termovision ankommer til håndholdte enheder, vil der dukke emner op, som man sjældent tænker over i dag. En telefon, der kan kigge gennem en tynd væg eller dele af visse materialer, kan vække bekymringer om beskyttelse af persondata. Selv om teknologien i praksis viser varmefordeling snarere end skarpe former, vil spørgsmål om regulering opstå meget hurtigt.
En anden ting er fortolkningen af sådanne billeder. Et farvetemperaturkort ser imponerende ud, men man kan nemt drage forkerte konklusioner – for eksempel ved vurdering af helbredstilstand eller brandrisiko. Man kan forvente en bølge af apps, der anvender filtre, foreslår fortolkninger eller kombinerer varmedata med information fra andre sensorer som lidar eller radar i biler.
Hvis smartphoneproducenter griber fat i denne teknologi, vil du få et værktøj i hånden, der kombinerer funktionerne fra et kamera, en scanner og en simpel miljøanalysator. Kombinationen af data fra det infrarøde område med kunstig intelligens-algoritmer kan eksempelvis give apps, der diagnosticerer overophedede apparater, vurderer børns søvnforhold eller hjælper svagtseende ved at advare om tilstedeværelsen af mennesker og forhindringer. Du vil dermed have adgang til en teknologi, der indtil for ganske nylig udelukkende var i hænderne på specialister og militæret.
