Ny slangesensor forvandler din smartphone til et 4K-varmekamera

Smartphones er måske på vej til at få en helt ny sans: evnen til at se varme – præcis som visse slanger gør det, når de jager i mørket.

Kinesiske forskere har udviklet en infrarødsensor, der fungerer uden køling, leverer krystalklare 4K-billeder og i sidste ende kan integreres i en almindelig smartphone. Teknologien er inspireret af slangers varmesansningssystem og kan betyde overgangen fra dyre militære varmekameraer til hverdagsudstyr for forbrugere.

Fra nattejægende slange til chip i lommen

Visse slanger kan jage i fuldstændig mørke takket være en ekstra sans: de registrerer varmestråling fra deres bytte. Mellem øjnene og næsen har de en slags varmegruber med en tynd hinde, der er ekstremt følsom over for selv de mindste temperaturforskelle. Denne hinde reagerer på infrarød stråling, der udsendes af legemsvarme.

Varmestrålingen omdannes til nervesignaler, der sendes til hjernen. Slangen "ser" dermed et slags varmebillede, som kombineres med det normale synsindtryk. På den måde kan den i totalt mørke præcist lokalisere en mus eller fugl.

Forskere fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics har efterlignet dette princip. Deres mål var at bygge et kunstigt system, der opfanger varmestråling, omdanner den til et tydeligt synligt billede og forbliver så kompakt, at det passer til en standard kamerasensor.

Den nye sensor fungerer som et ekstra lag af sansning oven på et almindeligt kamera: den oversætter usynlig varmestråling til et klart, synligt 4K-billede.

Ligesom hos slangen handler alt om det rette "hindelag", der kan konvertere subtile temperaturforskelle til et brugbart signal. Forskerne anvender dog ikke biologisk væv, men smarte halvledermaterialer og nanoteknologi.

Sådan omdanner sensoren varme til synligt grønt lys

Kernen i den nye teknologi er en ultratyn materialestabel placeret oven på en almindelig CMOS-kamerasensor – den samme type chip, der sidder i mange smartphones og digitalkameraer. Disse ekstra lag giver chippen et langt bredere synsfelt: fra almindeligt synligt lys til dybt infrarødt.

Kvanteprikkerne: bittesmå varmedetektorer

Det vigtigste lag består af kvanteprikker fremstillet af et materiale baseret på kviksølvtellurid (HgTe). Det er mikroskopiske partikler med justerbare egenskaber:

• de reagerer på infrarød stråling op til cirka 4,5 mikrometer bølgelængde
• deres følsomhed kan styres ved at ændre partikelstørrelsen
• de egner sig til at blive påført i tynde, jævne lag på en chip

Når infrarød stråling rammer disse kvanteprikker, opstår der et elektrisk signal. Det lyder enkelt, men i praksis forstyrres måleprocessen af chippens egen varme. Baggrundssignalet – den såkaldte mørkestrøm – kan nemt overdøve de reelle varmesignaler.

Støjreduktion via en isolerende barriere

For at begrænse denne støj har forskerne placeret en isolerende barriere mellem kvanteprikkererne og resten af elektronikken. Den består af zinkoxid kombineret med et specialpolymeer (P3HT). Dette lag blokerer uønskede strømme forårsaget af chippens egen varme, men lader de signaler passere, der rent faktisk stammer fra infrarød stråling.

Billedet forbliver dermed rent, selv ved stuetemperatur. Det er netop den store forskel fra klassiske infrarødkameraer, som ofte kræver kraftig køling for at undertrykke forstyrrende støj.

Fra elektrisk signal til grønt billede

Det næste trin er bemærkelsesværdigt: sensoren producerer ikke blot et elektrisk signal, men omdanner det direkte til synligt lys. Oven på det elektroniske lag sidder nemlig et tyndt lysende lag med fosforescerende materialer, blandt andet baseret på iridium.

Når det elektriske signal fra kvanteprikkererne når dette lag, begynder det at lyse klart grønt. Et almindeligt kamera kan derefter aflæse dette grønne billede, som om det var en normal scene.

Ved først at konvertere infrarødt lys til grønt lys kan et standard kamera optage varmebilledet uden dyr, specialiseret elektronik.

4K-varmebilleder – selv i stjernelysets svage skær

Den komplette struktur passer til en standard 4K-CMOS-chip med 3840 gange 2160 pixels. Det gør den ifølge forskerne til den første infrarødsensor i denne opløsning, der kan fungere uden et kølesystem.

Målinger viser, at sensoren leverer stærke resultater i både det nær-infrarøde (SWIR) og det mid-infrarøde (MWIR) område. Billedets lysstyrke når eksempelvis op på cirka 6.388 candela per kvadratmeter i SWIR-området og omkring 1.311 cd/m² i MWIR-båndet. Det peger på et klart og letlæseligt billede, selv når der kun er meget lidt infrarød stråling til stede.

Dynamikken – evnen til samtidig at gengive meget mørke og meget lyse partier i ét billede – er også imponerende. Sensoren opnår omkring 38 decibel i SWIR-området og 33 decibel i MWIR-området. Dermed forbliver detaljer synlige i både skygger og kraftigt varme zoner, uden at billedet brænder ud eller lukker til.

Særligt bemærkelsesværdig er følsomheden ved ekstremt lave lysniveauer. Sensoren kan registrere signaler ned til 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter – svarende til lysstyrken fra stjerner på nattehimlen. Varmemønstre bliver altså synlige, der hvor det menneskelige øje og almindelige kameraer slet ikke registrerer noget.

Fra fabriksgulv til smartphonekamera

Fordi sensoren udvider det synlige område til 0,4–4,5 mikrometer, får kameraer en ekstra "kanal" ved siden af det normale billede. Det åbner for en lang række praktiske anvendelser, både professionelt og i hverdagen.

Industri, landbrug og sikkerhed

I industrien kan virksomheder afsløre skjulte varmelækager, kortslutninger eller revnende komponenter uden at skille udstyr ad. En operatør kan direkte se, hvor maskiner overopheder, eller hvor kabler bliver mistænkeligt varme.

I landbruget giver subtile temperaturforskelle oplysninger om afgrødernes sundhedstilstand. Et stykke jord under vandstress afkøles anderledes end et sundt felt. En drone udstyret med denne sensor kan kortlægge det fra luften.

Også fødevaresikkerhed drager fordel heraf. Emballage med afvigende temperatur eller fugtighed springer straks i øjnene, inden produkter når at fordærves – tænk på køledistributionen for kød, fisk eller vacciner, hvor selv en lille temperaturfejl kan få store konsekvenser.

Selvkørende biler og medicinsk opdagelse i chipform

I trafikken er infrarødt syn interessant ved tæt tåge, kraftig regn eller natlige ture. En bil med en sådan sensor kan genkende fodgængere og dyr ud fra deres varmesignatur, selv når forlygterne knapt nok kaster lys tilbage.

Inden for medicinen er der interesse for små endoskopiske kameraer, der ikke blot optager et farvet billede, men også afslører lokale betændelsestilstande eller blodgennemstrømning via temperaturforskelle. Et sådant dobbeltblik kan hjælpe læger med tidlig opdagelse af afvigelser.

Varmesyn i baglommen

Forskerne understreger, at deres design er kompatibelt med eksisterende produktionsprocesser for CMOS-sensorer. Det betyder, at store chipproducenter i princippet kan integrere teknologien på deres nuværende produktionslinjer. Ifølge publikationen er der hverken behov for ekstra fabrikker eller ekstremt eksotiske materialer.

Hvis priserne falder som forventet, kan en fremtidig smartphone blot få en ekstra "varmekamera"-tilstand – ved siden af portræt- og natfotograferingstilstandene.

For forbrugere opstår der så en masse hverdagsanvendelser: fra at spore trækgener i hjemmet og tjekke temperaturen på grillen til at finde sin kat sikkert i en mørk have. Smarte overvågningskameraer og smarthome-systemer kan desuden med en sådan sensor langt bedre skelne mellem en reel indtrænger og eksempelvis en forbifarende gren i vinden.

Det er værd at vide om infrarødt lys og varmebilleder

Infrarødt lys er ingen magisk røntgenstråle – det er ganske enkelt lys med en længere bølgelængde end rødt lys. Mennesker kan ikke se det, men fornemmer det som varme på huden. Da ethvert objekt med en temperatur over det absolutte nulpunkt udsender infrarød stråling, kan man med den rette sensor "se" næsten alt – uden en eneste lyskilde.

Varmebilleder viser typisk temperaturforskelle og ikke præcise grader Celsius. Et glødende varmt objekt kan fremstå lysende hvidt, mens et koldt objekt er dybt mørkt – begge kan i virkeligheden befinde sig på stuetemperatur på en relativ skala. Software spiller derfor en afgørende rolle: den bestemmer farvepaletter, følsomhed og hvilke detaljer der fremhæves.

For forbrugerprodukter er der dog stadig åbne spørgsmål. Hvordan håndterer man privatlivets fred, når kameraer kan se gennem røg, tåge eller tynde materialer? Og hvordan undgår man, at brugere blindt stoler på varmebilleder som "sandheden", når fortolkning sommetider kræver specialiseret viden – eksempelvis ved medicinske eller byggetekniske inspektioner?

På den positive side kan en prisvenlig 4K-varmesensor gøre mange processer både sikrere og mere energieffektive. Tænk på smarte termostater, der faktisk ser, hvor varmen forsvinder, eller på redningstjenester, der ved brand hurtigere kan lokalisere mennesker gennem røg og mørke. Den nye slangeinspirede chip viser, at disse anvendelser teknisk set er inden for rækkevidde – så snart producenterne tør tage skridtet mod masseproduktion.