Ny gennembrud: Smartphones vil snart se varme som en slange

Fra dyr militærkamera til sensor i din lomme

Teknologien er inspireret af slangers evne til at "se varme" og kan omsætte infrarød stråling direkte til synlige billeder i 4K-opløsning. Det bringer overkommelig varmesynsteknologi til forbrugere, biler og medicinske anvendelser markant tættere på virkeligheden.

Hidtil har infrarød billeddannelse primært hørt hjemme i militære natkameraer, dyre industrikameraer og specialiserede laboratorier. Sådanne systemer er store, kostbare og kræver ofte køling med flydende nitrogen eller komplicerede køleelementer for at levere brugbare billeder.

Forskere fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics præsenterer nu noget ganske anderledes: et tyndt lag placeret oven på en almindelig CMOS-kamerasensor — den slags chip der allerede sidder i smartphones — som omsætter infrarød stråling til synligt lys. Uden køling, og med en opløsning på 3840×2160 pixels — fuldt udbygget 4K.

Denne nye sensor forvandler usynlig varme til grønt lys, som et almindeligt kamera kan opfange direkte.

Det gør springet fra laboratorium til hverdagselektronik langt kortere. Producenter behøver ikke udvikle en helt ny kameratype, men kan anvende de samme produktionsprocesser, de allerede bruger til milliarder af smartphones.

Sådan ser slanger varme — og hvad ingeniørerne kopierer fra dem

Visse slangearter, som klapperslanger og nogle pythoner, kan lokalisere bytte i mørket takket være særlige varmefølsomme organer placeret mellem øjnene og næseborene. Disse hulrum indeholder en hinde, der registrerer minimale temperaturforskelle.

Når varmblodede dyr er i nærheden, fremstår deres varmere kropsdele som "pletter" på denne hinde. Nerverne sender informationen videre til hjernen, som kombinerer den med normalt synsinput. Resultatet er et dobbeltsyn: normalt udsyn plus et varmebillede ovenpå.

Forskerne brugte dette princip som skabelon. Deres system består ligeledes af et tyndt, følsomt lag, der opfanger infrarød stråling og omsætter den til et signal, som "hjernen" — i dette tilfælde kamerachip'en — kan behandle.

Fra slangehinde til nanomateriale

I stedet for en biologisk hinde anvender forskerne nanopartikler, såkaldte kvanteprikkter, baseret på kviksølvtellurid (HgTe). Ved at variere størrelsen på disse partikler kan de nøjagtigt tilpasses infrarøde bølgelængder op til cirka 4,5 mikrometer.

• Slangehinden reagerer på temperaturforskelle i luften.
• Kvanteprikkerne reagerer på infrarødt lys udsendt af varme objekter.
• I begge tilfælde dannes et mønster, der giver information om varmefordelingen i omgivelserne.

Et vigtigt skridt var at filtrere støjsignaler fra. Sensoren opvarmes selv en smule, hvilket kan skabe støj — den såkaldte "mørkestrøm". For at reducere denne støj tilføjede forskerne et ekstra isolerende lag af zinkoxid og et særligt polymer (P3HT). Dette lag slipper det ønskede signal igennem, men blokerer en stor del af den interne støj.

Lysets trick: varmen omsættes først, derefter filmes der

Sensoren fungerer ikke som mange eksisterende infrarødkameraer, der aflæser elektriske signaler direkte. Her tilføjer forskerne et ekstra trin: det elektriske infrarødsignal omsættes først til synligt lys, og det er dette lys, den underliggende CMOS-chip aflæser.

Til dette formål befinder der sig over kvanteprikkerne et lag med fosforescerende materialer, herunder en iridiumforbindelse. Når kvanteprikkerne opfanger infrarød stråling og omdanner den til et elektrisk signal, udsender det lysende lag et stabilt grønt skær i samme mønster. Kameraet under laget ser altså et normalt grønt billede, hvori varmeinformationen allerede er visuelt til stede.

Ved at omsætte varme til grønt lys kan enhver standard kamerachip pludselig få "natøjne".

Ifølge forskerne opnår systemet en foton-til-foton-virkningsgrad på over 6 procent i det nær-infrarøde område. Det lyder lavt, men for denne type teknologi er det overraskende højt — særligt uden køling.

4K-varmebillede, selv ved stjerneskin

Præstationerne er bemærkelsesværdige. Sensoren leverer 4K-opløsning og forbliver anvendelig i både det nær-infrarøde (SWIR) og melleminfrarøde område (MWIR) — to vigtige zoner inden for varmebildannelse.

For at beskrive lysstyrken anvender forskerne enheden candela per kvadratmeter, et standardmål for lysintensitet. Sensoren opnår cirka 6388 cd/m² i det nær-infrarøde og 1311 cd/m² i det melleminfrarøde område. Det giver et klart billede, selv når mængden af infrarødt lys er begrænset.

Det dynamiske område er ligeledes påfaldende. Teknisk set: cirka 38 decibel i det nær-infrarøde og 33 decibel i det melleminfrarøde område. Sagt mere enkelt kan kameraet samtidig vise meget lyse og meget mørke detaljer i ét billede, uden at partier brænder ud eller forsvinder i sort.

Følsomheden strækker sig ned til ekstremt lave lysniveauer, sammenlignelige med det svage lys fra stjerner: omkring 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter. Det åbner døren til anvendelser inden for astronomi og rumfart, hvor lysniveauerne er minimale.

Hvad du snart kan gøre med sådan et varmekamera

Fordi sensoren udvider en standardkameras følsomhedsspektrum fra cirka 0,4–0,7 mikrometer til 0,4–4,5 mikrometer, får ét og samme kamera et helt nyt "ekstra sanseorgan". Det giver praktiske anvendelsesmuligheder på tværs af en lang række sektorer.

Industri og teknik

• Inspektion af rørledninger og maskiner for tidlig opdagelse af overophedede komponenter.
• Kontrol af solpaneler eller printkort for skjulte defekter.
• Sikker overvågning af farlige miljøer, såsom kemiske anlæg.

Fordi sensoren kan se igennem røg, tåge eller visse materialer, bliver problemer synlige, der forbliver usynlige i normalt lys. Tænk på lækager bag isolering eller kortslutning i lukkede kabinetter.

Biler, droner og smarte kameraer

For bilindustrien kan en sådan sensor være en gamechanger. Selvkørende køretøjer kæmper med tåge, regn, kraftigt modlys eller mørke. Et varmekamera kan stadig skelne mellem en kold vejbane og et varmt legeme — som en fodgænger eller et dyr.

Droner ville med denne teknologi kunne udføre natinspektioner over industriområder, landbrugsmarker eller skovområder uden at medbringe tunge, kølede kameraer. Sikkerhedskameraer på bygninger får ligeledes et større rækkevidde, da de ikke længere er afhængige af lamper eller gadebelysning.

Medicin, landbrug og hjemmebrug

Inden for medicin giver varmebildannelse et ekstra informationslag. Betændelser, dårligt blodkredsløb eller sårheling viser ofte subtile temperaturforskelle. Med en kompakt sensor i eksempelvis et endoskop eller bærbart apparat kan en læge iagttage disse forskelle direkte.

Landmænd ville med varmebilleder af afgrøder tidligere kunne genkende stress forårsaget af tørke, sygdom eller rodproblemer. Planter, der optager mindre vand, køler mindre ned gennem fordampning og skiller sig dermed termisk ud.

Hjemmebrug ligger ligeledes lige for: en smartphone der kan se varme, hjælper med at opdage varmelækager i en bolig, tjekke en overophedet oplader eller lede efter et kæledyr i mørket.

Hvornår ser vi det i vores telefon?

Forskerne understreger, at deres design er bygget på eksisterende CMOS-teknologi. De ekstra lag — kvanteprikkter, isolator, lysende lag — kan i princippet påføres oven på eksisterende chips. Det gør masseproduktion mere realistisk end ved mange tidligere infrarødprototyper, der krævede helt anderledes hardware.

Inden teknologien reelt lander i telefoner, skal producenterne teste sensorerne yderligere for holdbarhed, energiforbrug og sikkerhed af de anvendte materialer. Kviksølvforbindelser, som dem i kvanteprikkterne, kræver eksempelvis omhyggelig indkapsling for at udelukke risici.

Hvad betyder det for privatliv og sikkerhed?

Kameraer der kan registrere temperaturforskelle, rejser også nye spørgsmål. Et varmebillede kan afsløre tilstedeværelsen af mennesker bag tynde vægge, aktivitet i en bolig eller endda helbredsrelaterede forhold. Lovgivning og retningslinjer for brug af termiske kameraer halter bagud i mange lande.

For forbrugere vil forskellen mellem en "sjov gadget" og en seriøs sensor primært ligge i softwaren. App-udviklere bestemmer, hvilke data der er synlige, hvor præcise de er, og om billederne forbliver anonyme. Filtre der slører detaljer eller begrænser opløsningen, kan hjælpe med at modvirke misbrug.

Nyttig baggrund: hvad er infrarød egentlig?

Infrarødt lys har en længere bølgelængde end synligt rødt lys. Mennesker kan ikke se det, men mærker det som varme — for eksempel fra en infrarødlampe eller et bål. Ethvert objekt over det absolutte nulpunkt udsender en smule infrarød stråling; jo varmere det er, desto stærkere og kortere er bølgelængden.

En sensor der dækker et bredt spektrum fra 0,4 til 4,5 mikrometer, opfanger både reflekteret sollys og udstrålet varme. Det giver et rigt billede, der viser detaljer, der er fuldstændig skjulte for det blotte øje.

I hverdagslivet kan det bruges til at opdage energitab i boliger, finde blokeringer i gulvvarme eller simpelthen se, hvilke elektriske apparater der bruger strøm — fordi de er varmere end deres omgivelser.