En teknik som låter som science fiction har blivit verklighet
Det låter som något hämtat ur en framtidsroman – men det är redan här. Forskare har tagit fram ett miniatyrsystem för termisk avbildning i 4K-kvalitet som fungerar helt utan skrymmande kylmoduler och kan byggas direkt in i vanliga mobilkameror.
Medan infraröd teknik tidigare var förbehållen militären och specialiserade räddningstjänster, kan den nya uppfinningen förvandla en helt vanlig smartphone till ett instrument som registrerar värmestrålning. Forskarteamet bakom genombrotten kommer från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics – och de hämtade sin inspiration från naturen, närmare bestämt ormarnas förmåga att jaga i totalt mörker.
Resultatet är en ultratunna modulär lösning som läggs direkt ovanpå en klassisk CMOS-sensor – precis den typ som sitter i alla moderna mobiltelefoner. Det avgörande? Den fungerar vid rumstemperatur och registrerar ändå infraröd strålning i 4K-upplösning, något som tidigare krävde flytande kvävekylning och klumpiga höljen.
Hur ormar ser i mörkret – och vad ingenjörer lär sig av det
Vissa ormar jagar på natten tack vare sin förmåga att uppfatta värmestrålning, alltså infrarött ljus. Mellan ögat och nosen har de en liten grop fylld med en tunn, känslig hinna. När strålning från varma föremål träffar denna hinna värms en liten del upp och utlöser nervimpulser.
Ormens hjärna kombinerar sedan dessa signaler med den visuella informationen från ögonen. Resultatet är en termisk karta av omgivningen, där ett litet bytesdjurs kropp tydligt framträder mot en kallare bakgrund. Det tvåkanaliga systemet gör det möjligt att jaga effektivt även i absolut mörker.
De kinesiska forskarnas mål var att återskapa detta biologiska fenomen i elektronisk form – ett konstgjort ormorgan som inte behöver kylas och ändå fångar infraröd strålning i 3 840 × 2 160 pixlars upplösning.
Nanostrukturer, kvantprickar och grönt ljus
Traditionella termokameror använder sig av detektorer som genererar mycket elektroniskt brus och kräver kraftig kylning, vilket gör utrustningen både dyr och skrymmande. Forskargruppen valde en helt annan väg – en ultratunna lagerad struktur uppbyggd av material i nanometerskala.
Hjärtat i den nya sensorn utgörs av så kallade kvantprickar av kvicksilverjodid. Dessa oerhört små halvledarpartiklar är känsliga för infraröd strålning, och känsligheten kan justeras genom att ändra partiklarnas storlek. I detta projekt ställdes de in för att fånga upp strålning med våglängder upp till ungefär 4,5 mikrometer, vilket täcker viktiga delar av det nära och mellersta infraröda spektrumet.
Det största tekniska hindret visade sig vara det så kallade mörkerströmmen – bruset som alstras av det upphettade detektionselementet självt och som riskerar att kväva den verkliga signalen. Lösningen var att placera ett barriärskikt av zinkoxid och polymeren P3HT mellan kvantprickarna och resten av strukturen. Lagret blockerar falska impulser och släpper igenom enbart signaler från faktisk infraröd strålning.
Ett av de viktigaste tekniska genombrotten var att uppnå stabilitet vid rumstemperatur. Ingenjörerna använde en specifik materialkombination:
- Kvantprickar av kvicksilverjodid för att fånga infraröd strålning
- Barriärskikt av zinkoxid för att dämpa brus
- Polymeren P3HT för selektivt signalgenomflöde
- Iridium för emission av synligt ljus
- Klassisk CMOS-sensor för slutlig bildvisning
- Nanometerlager som möjliggör kompakt konstruktion
Från osynlig värme till ett klart grönt ljus
Att bara registrera en elektrisk ström räcker inte för att fungera i en kompakt kamera. Ingenjörerna lade därför till ytterligare ett smart element – ett ljusemitterande skikt ovanpå detektorstrukturen, baserat på iridiumföreningar.
När sensorn fångar upp infraröd strålning och omvandlar den till en elektrisk signal börjar det övre skiktet avge ett stabilt grönt ljus. En vanlig CMOS-sensor kan sedan läsa av detta ljus som en helt normal bild i det synliga spektrumet. Hela processen kallas foton-till-foton-konvertering – osynlig infraröd strålning förvandlas till en synlig bild.
I tester uppnådde modulen en konverteringseffektivitet på över sex procent i det nära infraröda området, helt utan aktiv kylning. Det är ett remarkabelt resultat för ett system av denna kompakta storlek, och forskarna från båda instituten understryker att det innebär ett markant steg framåt jämfört med tidigare okylda sensorer.
4K i infraröd på en vanlig CMOS-sensor
Hela den lagrade strukturen applicerades på en typisk CMOS-matris med upplösningen 3 840 × 2 160 pixlar – fullständig 4K, precis som vi känner igen den från moderna tv-apparater och mobiltelefoner. Tidigare var sådana höga upplösningar inom infraröd avbildning enbart tillgängliga i kylda och dyra specialkameror för militärt och industriellt bruk.
I testerna klarade den nya sensorn flera viktiga utmaningar. Den registrerade tydliga detaljer även vid mycket svaga nivåer av infraröd strålning och fungerade i två spektrumband – det nära och det mellersta infraröda. Bilderna var tillräckligt ljusa för vidare bearbetning, med ljusstyrkor från ungefär 1 311 till 6 388 kandela per kvadratmeter.
Särskilt imponerande är den extrema känsligheten. Systemet reagerar på signaler jämförbara med stjärnors ljusstyrka – i storleksordningen tio upphöjt till minus tio watt per kvadratcentimeter. Det är en nivå där det mänskliga ögat är helt blint och en vanlig kamera mestadels ser svart.
Forskarna i Peking betonar också att enheten hanterar ett gott dynamiskt omfång, det vill säga att den simultant klarar av att återge både mörka och mycket ljusa partier i en scen. För praktisk användning i mobiltelefoner är även den låga energiförbrukningen avgörande – modulen kräver inget kylsystem och det strömförbrukning det innebär.
Vad det innebär för en vanlig smartphoneanvändare
I praktiken utökar den nya tekniken sensorernas synfält från det typiska intervallet 0,4–0,7 mikrometer till ungefär 4,5 mikrometer. Med andra ord börjar kameran registrera delar av spektrumet som normalt är helt osynliga för ögat.
I vardagslivet skulle en sådan funktion kunna vara användbar i mängder av situationer. Räddningstjänster kan söka efter personer i rökfyllda rum, på natten eller i tät dimma. Hemma kan du snabbt se var värme läcker ut ur lägenheten eller var rör löper inuti väggar.
Inom bilindustrin skulle förarassistenter kunna upptäcka fotgängare och djur bortom strålkastarljusets räckvidd. Lantbrukare kan bedöma bevattning och grödornas kondition utifrån subtila temperaturskillnader. Inom medicin och fitness öppnar tekniken möjligheter för beröringsfri temperaturmätning, övervakning av blodcirkulation och identifiering av områden med förhöjd temperatur.
Ytterligare användningsområden inkluderar:
- Detektering av överhettade elektriska apparater i hemmet
- Kontroll av isolering kring fönster och dörrar
- Övervakning av husdjurs och barns kroppstemperatur
- Spårning av en borttappad telefon via värmeavtryck
- Naturfotografering av vilda djur utan störande ljus
- Diagnostisering av mekaniska komponenter i bilar
- Övervakning av mattemperatur under tillagning
- Identifiering av mögeldrabbade ytor via temperaturavvikelser
Forskarnas poäng är också att modulen kan tillverkas i fabriker som redan har produktionslinjer för klassiska CMOS-sensorer. Inga helt nya och kostsamma installationer behövs, vilket avsevärt ökar chanserna för massproduktion. Infraröd syn kan på så sätt gå från att vara ett militärt specialverktyg till att bli ytterligare en standardfunktion i kameramenyn – bredvid nattläget eller porträttläget.
Vägen från laboratoriet till fickan
Det betyder inte att varje ny telefonmodell om en kort stund kommer att ha en riktig termokamera. Det återstår många frågor – hur energiförbrukningen ska hanteras, om tillverkarna finner det lönsamt att lägga till ytterligare en modul, och hur sådana enheter ska klassificeras i ljuset av regelverk kring övervakningsutrustning.
Samtidigt finns det starka argument för tekniken. Modulen kräver ingen aktiv kylning, vilket gör det enklare att få in den i ett tunt hölje. Hela fabrikslinjer behöver inte ritas om. Och funktionen i sig kan bli ett konkurrensmedel – precis som nattläget eller optisk bildstabilisering en gång i tiden.
Forskarna lyfter också fram integritetsfrågor. När riktig termovision når fickvänliga enheter dyker det upp diskussioner som man sällan tänker på idag. En telefon som kan skymta värmefördelning genom tunna väggar eller vissa material kan väcka oro kring personlig integritet. Även om tekniken i praktiken visar värmefördelning snarare än skarpa konturer, kommer frågor om reglering att dyka upp snabbt.
En annan utmaning är tolkningen av sådana bilder. En färgkodad värmekarta ser effektfull ut men det är lätt att dra felaktiga slutsatser – exempelvis vid bedömning av hälsotillstånd eller brandrisk. Man kan förvänta sig en våg av appar som tillämpar filter, föreslår tolkningar eller kombinerar värmedata med information från andra sensorer som lidar eller radar i fordon.
Om smartphonetillverkarna väljer att använda den här tekniken hamnar ett instrument i dina händer som kombinerar kamera, skanner och enkel omgivningsanalysator i ett. Att koppla infraröd data till algoritmer för artificiell intelligens kan ge upphov till applikationer som diagnostiserar överhettade enheter, utvärderar barns sovförhållanden eller hjälper synskadade att bli varnade för närvaron av människor och hinder. Det handlar om teknik som för bara en kort tid sedan tillhörde uteslutande specialister och militären.
