Ny 4K-sensor til smartphones: teknologien der afslører alt i mørket

Forskere har skabt en mikroskopisk linse, der snart forvandler Deres telefon til et varmesøgende kamera, og uden den risikerer De at overse usynlige farer i hverdagen.

Klokken er to om natten, og De står i Deres kolde indkørsel, fordi en mærkelig, skrabende lyd vækkede Dem. Gadebelysningen i nabolaget er slukket, og lommelygten på mobiltelefonen formår knap nok at oplyse det våde grus foran Deres fødder. Det er i præcis disse anspændte sekunder, man for alvor indser, hvor fuldstændig forsvarsløst det menneskelige øje er, når lyset forsvinder. Men forestil Dem, at den selvsamme telefon i Deres hånd pludselig kunne fange kropsvarmen fra det væsen – eller den person – der befinder sig blot ti meter væk bag den tætte hæk.

Hvordan naturens fortid skabte fremtidens elektronik

Nogle slangekategorier, især hugorme og kvælerslanger, jager efter mørkets frembrud ved hjælp af en helt særlig sans. Ud over deres traditionelle syn har de specifikke termiske fordybninger placeret strategisk mellem øjet og næseborene. Disse mikroskopiske biologiske strukturer opfanger minimale temperaturforskelle i omgivelserne og skaber en form for organisk termisk kamera i hjernen på dyret.

I midten af dette biologiske system hænger en ekstremt tynd membran i et hulrum. Når varmestrålingen fra en intetanende mus rammer denne hinde, stiger temperaturen i specifikke zoner med en brøkdel af en grad. Det er rigeligt til at udløse en strøm af nerveimpulser. Krybdyrets hjerne samler derefter disse informationer med det normale visuelle billede, hvilket giver en overlegen termisk profilering af landskabet.

Det er præcis denne biologiske arkitektur, der har inspireret en radikal ændring i måden, vi bygger digitale kameraer på.

Et dedikeret hold af forskere fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics besluttede sig for at oversætte dette tusindgamle biologiske princip til moderne elektronik. De har nu med succes konstrueret en kunstig pendant til slangens sanseorgan, som kan monteres direkte på en helt almindelig CMOS-sensor. Altså nøjagtig det samme stykke silicium, der i forvejen sidder bag glasset på bagsiden af Deres nuværende smartphone.

Fra usynlig varmestråling til en grøn pixel på skærmen

Hemmeligheden bag denne bedrift ligger i kredsløbets lagdelte opbygning. Øverst har forskerne placeret en tynd film, der udelukkende har til opgave at indfange infrarød stråling, hvilket vi i daglig tale kalder varme. Til dette formål benyttes avancerede kvantepunkter fremstillet af materialet kviksølv-tellurid (HgTe).

Disse kvantepunkter er mikroskopiske halvlederkrystaller. Deres fysiske dimensioner er så ufatteligt små, at de kan finjusteres til at reagere på en meget specifik bølgelængde af lys. I dette tilfælde har ingeniørerne kalibreret dem til at opfange bølgelængder på op til 4,5 mikrometer, hvilket rækker dybt ind i det termiske spektrum, langt forbi det, et menneske kan se.

Når varmebølgerne rammer disse kvantepunkter, genererer de et svagt elektrisk signal. Men her opstår den første enorme tekniske forhindring: Enhver elektronisk enhed, der ikke er frosset ned, producerer sin egen varme og dermed elektrisk støj. Denne støj ville normalt drukne det fine signal fra omgivelserne, især når udstyret opererer ved almindelig stuetemperatur uden de massive og støjende kølesystemer, som ældre termokameraer kræver.

En kemisk barriere der sorterer støjen fra

For at løse dette problem har forskerne indsat en usynlig mur. De skabte en barriere bestående af zinkoxid kombineret med en specialudviklet ledende polymer ved navn P3HT. Denne særlige hinde fungerer som en dørmand; den blokerer effektivt de såkaldte mørkestrømme, som genereres blot ved, at telefonen er tændt og varm.

Samtidig lader zinkoxid-barrieren udelukkende de strømpulser passere, som er direkte forårsaget af ægte infrarød stråling fra omgivelserne. Resultatet er et rent, uforstyrret elektrisk signal baseret på kropsvarme eller maskinel overophedning.

Selve tricket der udnytter Deres nuværende kamera

Men strøm i sig selv skaber ikke et billede på Deres skærm. I stedet for at sende dette strømsignal videre til tunge, separate computerchips, har konstruktørerne tilføjet endnu et lag. Dette er et emissionslag fremstillet af fosforescerende materialer, der indeholder grundstoffet iridium.

Opgaven for dette iridium-lag er forbløffende simpel, men uhyre effektiv: Det omdanner de elektroniske impulser til synligt lys. I praksis betyder det, at sensoren begynder at udsende en svag, stabil grøn glød.

Lysstyrken af dette grønne skær afspejler den nøjagtige intensitet af varmeudstrålingen fra objektet i mørket.

Og her falder brikkerne på plads for almindelige forbrugere. Dette grønne lys kan fuldstændig problemfrit opfanges af de helt almindelige pixels, der allerede findes i et standard CMOS-kamera. Processen er elegant: Varmebølger rammer kvantepunkterne, omdannes til strøm, konverteres til grønt lys af iridium-laget, og læses til sidst af telefonens egen linse.

Ifølge studiets egne data overstiger effektiviteten af denne konvertering hele 6 procent i det nærinfrarøde område. Når man tager i betragtning, at alt dette sker uden en decideret kølekompressor, og på et areal der er mindre end Deres pegefingernegl, er resultatet dybt fascinerende.

4K-opløsning som indtil nu krævede laboratorieudstyr

Det mest overvældende element i dette gennembrud er dog opløsningen. Tidligere tiders infrarøde kameraer har været notorisk berygtede for deres slørede, grynede billeder, der mest af alt mindede om dårlig overvågning fra 1990’erne. Dette nye system fungerer derimod gnidningsfrit på en 4K-matrice med 3840 gange 2160 pixels.

Denne høje grad af detaljerigdom har hidtil krævet kryogenisk nedkølet udstyr, som ofte koster op imod €10.000 og vejer adskillige kilo. Nu kan den samme præcision bygges direkte ind i lommen.

Den nye sensor navigerer ubesværet i både det nærinfrarøde spektrum (SWIR) og melleminfrarøde spektrum (MWIR). Dynamikområdet – evnen til at vise detaljer i både meget mørke og meget lyse områder af billedet på samme tid – er bemærkelsesværdigt. Forskerne rapporterer om målinger på omkring 38 dB for den nærinfrarøde zone og 33 dB for den melleminfrarøde.

Hvad betyder disse tal for Dem? Det forhindrer, at billedet “brænder ud”. Hvis De filmer en glødende udstødningsrør på en bil på en isnende kold vinteraften, vil kameraet kunne vise den skarpe kontrast uden at miste detaljerne i den kolde sne i baggrunden. Følsomheden er så udtalt, at chippen kan opfange signaler helt ned til 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter. Det er en følsomhed, der nærmer sig stjernelys.

Seks situationer hvor dette vil ændre alt

Ved at udvide det spektrum, et almindeligt kamera kan opfange, fra det synlige lys mellem 0,4 og 0,7 mikrometer og helt op til 4,5 mikrometer, åbner der sig døre til en række brancher og hverdagsbehov, der før var forbeholdt specialister.

Når denne teknologi forlader laboratoriet og bliver standardudstyr, vil vi se ændringer her:

• Sikkerhed og overvågning i hjemmet: Deres telefon vil kunne genkende skikkelser bag tæt røg ved en brand, eller opdage uvedkommende på en helt mørk landevej.
• Privat boligvedligeholdelse: Et hurtigt kig på Deres vægge om vinteren vil øjeblikkeligt afsløre præcis, hvor kulden trænger ind, og hvor varmeregningen forsvinder ud.
• Industriel kontrol: Håndværkere og mekanikere kan lynhurtigt skanne elektriske tavler eller motorer for overophedning, længe før en potentiel brand opstår.
• Landbrug og havearbejde: Planter reagerer på tørkestress gennem temperaturændringer i bladene. De vil kunne se, hvornår planterne skriger på vand, timer før de begynder at hænge.
• Bilindustrien: Integration i bakspejle og forruder kan skabe nattesynsassistenter, der fremhæver fodgængere i tyk tåge.
• Hjemmediagnostik: Et simpelt billede af Deres ankel efter et styrt kan, via temperaturforskelle i huden, indikere, om der er en dyb betændelsestilstand på vej.

Eksperterne fra de to kinesiske institutter pointerer en helt afgørende økonomisk detalje: Selve fremstillingsprocessen kan nemt integreres i de produktionslinjer, der i forvejen pumper millioner af smartphone-kameraer ud. Fabrikkerne behøver ikke at blive bygget om fra bunden.

Bagsiden af medaljen: Privatliv bag tynde vægge

Så udbredt og lettilgængelig adgang til varmesyn fører uundgåeligt tunge etiske og praktiske overvejelser med sig. På den ene side får De et værktøj, der markant øger Deres personlige sikkerhed. På den anden side rejser der sig et ubehageligt spørgsmål om privatlivets fred.

Når en telefon kan fange termiske aftryk med 4K-opløsning, begynder overflader, vi normalt betragter som afskærmende, at miste deres funktion. Varmestråling kan i et vist omfang passere gennem tyndt tøj, lette gardiner eller endda tynde skillevægge i telte og billige byggerier.

Det er lyder måske som ren science fiction, men samfundet vil snart skulle forholde sig til lommelygter, der kigger gennem stof.

Dertil kommer det miljømæssige aspekt. Brugen af kvikølvforbindelser (Hg) i kvantepunkterne kræver uhyre streng kontrol under både produktion og senere genanvendelse, når telefonen en dag kasseres. Forskere og ingeniører bliver nødt til at finde den svære balance mellem uovertruffen ydeevne og hensynet til vores grundvand. Jagten på alternative, mindre giftige kemiske sammensætninger er allerede i fuld gang i baggrunden.

Når det usynlige rykker ind i lommen

Den teknologiske march peger i én bestemt retning: Avanceret fotonik bliver nu demokratiseret og lander direkte i hænderne på almindelige mennesker. Mekanismen, der konverterer usynlig varme til synligt lys, baner også vej for mere diskrete opfindelser, såsom intelligente udendørslamper, der kun blænder op, når de reelt ser kropsvarmen fra et menneske – og ikke blot reagerer på en gren, der blæser i vinden.

Vi står på tærsklen til en æra, hvor rummet omkring os rummer langt flere oplysninger, end vores øjne kan fange. Når Deres digitale enhed ikke længere bare optager lys, men direkte opfatter den termiske energi fra alt levende, ændres fundamentet for, hvordan vi orienterer os. Det næste kapitel af mobilteknologien handler ikke om at få flere megapixel til feriebillederne, men om at give Dem magten til at afkode den verden, der normalt ligger fuldstændig skjult i mørket.