Ingeniører har bygget et miniaturetermokamera til smartphones
Et hold forskere har formået at konstruere et mikroskopisk termokamera, der passer direkte ind i en almindelig smartphones sensor. Inspirationen kom fra slangers evne til at jage i mørket ved hjælp af bytterets varmestråling.
Dette er ikke et marketingprojekt – det er resultatet af seriøst videnskabeligt arbejde fra Kina. Forskerne ønskede at overføre biologiens varmeregistreringsmekanisme direkte til forbrugerelektronik, fra mobiltelefoner til kameraer i biler.
Hvad slangers varmesans har med teknologi at gøre
Visse slangearter besidder ud over deres normale syn også en såkaldt "varmesans". Mellem øjet og næseboret sidder en specialiseret fordybning med en tynd membran, som reagerer på infrarødt lys udsendt af varme objekter – for eksempel et dyrs eller et menneskes krop. Når infrarøde bølger rammer membranen, opvarmes dele af den en smule og udløser et nervesignal, som hjernen kombinerer med det visuelle billede.
Resultatet er, at dyret får et slags "varmelag" oven på sit normale syn og dermed kan jage effektivt i fuldstændigt mørke uden noget lys overhovedet. Det var netop denne biologiske finesse, der fascinerede forskerne.
Teamet bag opdagelsen: Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics
Et forskerhold fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics besluttede sig for at bygge et elektronisk modstykke til dette sansesystem. De udviklede et ultratyndt modul, der opfanger varme og omgående omsætter det til et billede, som et almindeligt kamera kan aflæse.
Det nye system fungerer som en digital udgave af slangens varmesans: det "lytter" til varmestrålingen og viser den som et klart, farverigt billede i realtid.
Sådan omdannes infrarød stråling til et 4K-billede
Traditionelle termokameraer er store, dyre og kræver nedkøling til meget lave temperaturer. Det er den primære årsag til, at de primært anvendes i militæret, industrien og laboratorier – og ikke i lommen på en tilfældig forbruger. Den nye teknologi sigter direkte mod dette problem ved at fungere ved stuetemperatur, helt uden kompliceret køleudstyr.
Kernen i den nye sensor er såkaldte kvantetråde af kviksølvtellurid (HgTe). Det er bittesmå halvledende nanopartikler, der absorberer infrarød stråling med bølgelængder op til omkring fire en halv mikrometer. Deres størrelse kan justeres, så følsomheden matcher et specifikt interval af det infrarøde spektrum.
Men selve det infrarød-følsomme materiale er ikke nok. Høje temperaturer i de elektroniske komponenter skaber såkaldte mørkestrømme – støj, der efterligner et reelt signal. Det svarer lidt til, at et kamera konstant forsøger at tage billeder og forveksler sin egen varme med det, der foregår foran linsen. For at løse dette introducerede forskerne et meget tyndt isolerende lag af zinkoxid og det specielle polymer P3HT. Denne barriere blokerer falske varmesignaler fra kredsløbet selv, men lader den ladning passere, der genereres af ægte infrarød stråling udefra.
Laget der forvandler elektrisk strøm til synligt lys
I stedet for blot at sende den elektriske strøm videre til en traditionel signalkredsløb tog forskerne et skridt videre. Oven på kvantetrådslaget placerede de et lag, der kan lyse. Når det elektriske signal fra infrarød stråling ankommer, udsender dette lag synligt lys – i eksperimenterne var det en stabil grøn farve frembragt af iridiumforbindelser.
Infrarødsensoren lyser direkte ned på en CMOS-matrix, så et almindeligt kamera kan "se" varme i 4K-kvalitet. Hele systemet er placeret på en standard CMOS-sensor, som bruges i stor skala i kameraer og smartphones. Det betyder, at enhedens elektronik ikke behøver at blive ændret – i stedet for at bygge en helt ny kameratype tilføjes blot et tyndt lag, der konverterer infrarød stråling til lys.
Tekniske specifikationer
- Opløsning på 3840 × 2160 pixels svarende til 4K-standarden
- Dækker området fra nær- til midtinfrarød (SWIR og MWIR)
- Konverteringseffektivitet på over seks procent foton–foton i det nærinfrarøde område
- Fungerer ved stuetemperatur uden køleenhed
- Kompatibel med standard CMOS-matricer
- Anvender kvantetråde af kviksølvtellurid (HgTe)
- Isolerende lag af zinkoxid blokerer støj
- Lysende lag med iridiumforbindelser skaber det synlige billede
Syn i mørke, gennem røg og bag silicium
Under testene klarede den nye sensor sig i forhold, hvor et traditionelt kamera nærmest er "blindt". Systemet genererede tydelige billeder selv ved meget svag infrarød stråling, sammenlignelig med stjerneskin. Følsomheden nåede ned til signaler i størrelsesordenen 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter.
I praksis betyder det, at modulet kan registrere temperaturforskelle i fuldstændigt mørke og tilmed gennem materialer, der er uigennemsigtige for synligt lys – såsom siliciumplader eller visse kemiske beholdere. Hvad der for et konventionelt kamera er et sort billede, er for den nye sensor et detaljeret termisk billede.
Det såkaldte dynamiske område spiller også en vigtig rolle. Enheden håndterer både meget svage og meget stærke signaler inden for samme optagelse. For det nærinfrarøde område når det op på circa 38 decibel, og for det midtinfrarøde 33 decibel. Det giver mulighed for at se en kold baggrund og varme elementer i samme scene uden overeksponering eller tab af detaljer. Sensorens synsfelt udvides fra de typiske 0,4 til 0,7 mikrometer til cirka 0,4 til 4,5 mikrometer – altså adskillige gange længere ind i det usynlige infrarøde område.
Hvor denne kamera kan dukke op først
Udvidelsen fra det synlige spektrum til et bredt infrarødt område åbner en række muligheder inden for professionelle anvendelser. Forskerne peger på flere sektorer, hvor teknologien sandsynligvis vil gøre sit indtog tidligst.
I fabrikker vil et 4K-termovisionskamera på afstand kunne registrere overophedede komponenter, utætte rør, fejl i isolering og farligt opvarmede maskiner. I dag kræver sådanne inspektioner i mange brancher tunge, dyre kameraer betjent af specialiseret personale.
Inden for landbruget hjælper et følsomt infrarødt kamera med at overvåge afgrødernes tilstand. Planter, der lider af vandstress eller er syge, ændrer ofte den måde, de afgiver varme på, inden det bliver synligt for det blotte øje. En termisk analyse fra en drone eller et køretøj kan advare landmanden om et problem, inden udbyttet falder.
Tilsvarende i logistik og fødevareemballage – kameraet kan kontrollere, om der opstår mistænkelig kondensation indeni, forkert temperaturfordeling eller overdreven produktopvarmning. I bilindustrien kunne en sådan sensor udgøre endnu et "synslag" for bilen og hjælpe med at opdage fodgængere, cyklister eller dyr på vejen i tæt tåge, kraftig regn, om natten og ved blændende lygter fra modkørende.
Inden for medicin kan miniaturetermokameraer i høj opløsning bruges til at detektere betændelsestilstande, kredsløbsforstyrrelser eller utætheder i medicinsk udstyr. Et blik på temperaturfordelingen på huden eller på overfladen af et organ under et indgreb giver lægen yderligere information. For almindelige forbrugere er dog den mest lokkende udsigt at få denne funktion indbygget i en smartphone, hjemmeovervågningskameraer eller robotstøvsugere. Studiets forfattere understreger, at teknologien kan produceres på eksisterende linjer, der fremstiller CMOS-sensorer, uden at der skal bygges nye fabrikker.
Hvad det betyder for den almindelige smartphonebruger
Adgang til termovision i lommen kan ændre den måde, man løser mange hverdagsopgaver på. Brugere uden teknisk ekspertise vil hurtigt kunne tjekke, hvor varmen forsvinder ud af lejligheden, om radiatoren varmer jævnt, hvor der løber rør i væggen, og endda om en oplader, en forlængerledning eller et batteri er farligt overophedet.
Teknologien medfører dog også risici. Den høje opløsning og følsomhed gør det for eksempel muligt at observere mennesker gennem tynde skillevægge, at anslå deres tilstedeværelse i en lejlighed ud fra varmeemission eller at spore aftryk efterladt af opvarmede bildæk. Det rejser spørgsmål om privatlivets fred og nødvendigheden af klare regler for brugen af sådanne funktioner på offentlige steder.
Det er også værd at bemærke, at et termobillede kræver korrekt fortolkning. En temperaturforskel betyder ikke altid et problem, og i visse situationer kan en fejlagtig analyse føre til unødig alarm. Softwareproducenter vil skulle tilføje solide algoritmer og letforståelige rapporter, så brugeren ikke udelukkende stoler på farvepletter på skærmen.
Fra et teknisk synspunkt er holdbarheden af de lysende lag og kvantetrådene ved daglig smartphonebrug fortsat en vis udfordring – ved fald, pludselige temperaturskift og intens sollys. Det er den fase, hvor prototyperne fra laboratoriet skal bevise deres robusthed i den virkelige verden, inden de kan nå masseproduktion. Hvis omkostningerne falder, vil funktionen "termisk 4K-tilstand" måske en dag dukke op ved siden af "nat" og "portræt" i kameraappen.
