Smartphones er måske på vej til at få et helt nyt sans: evnen til at se varme – præcis som visse slanger gør det, når de jager i mørket.
Fra nattejægerende slange til chip i lommen
Kinesiske forskere har udviklet en infrarødsensor, der fungerer uden køling, leverer krystalskarpe 4K-billeder og i sidste ende kan passe ind i en almindelig smartphone. Teknologien er inspireret af slangernes varmesansesystem og kan markere overgangen fra dyre militære varmekameraer til hverdagsforbrugerprodukter.
Nogle slanger jager om natten takket være et ekstra sans: de registrerer varmeudstråling fra deres bytte. Mellem øjnene og næsen sidder en slags varmegrubbe med en tynd membran, der er ekstremt følsom over for selv de mindste temperaturforskelle. Den membran reagerer på infrarød stråling, som udsendes af kropsvarme.
Denne varmeudstråling omdannes til nervesignaler, der sendes til hjernen. Slangen "ser" derved et slags varmebillede, der kombineres med det normale synsindtryk. På den måde kan den i fuldstændig mørke præcist afgøre, hvor en mus eller en fugl befinder sig.
Forskere fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics har efterlignet dette princip. Målet var at bygge et kunstigt system, der opfanger varmeudstråling, omsætter den til et tydeligt synligt billede og forbliver så kompakt, at det passer på en standard kamerasensor.
Den nye sensor opfører sig som et ekstra sanslag oven på et almindeligt kamera: den oversætter usynlig varmeudstråling til et klart, synligt billede i 4K.
Ligesom hos slangen handler det hele om det rette "membranlag", der kan omsætte subtile temperaturforskelle til et brugbart signal. Men i stedet for biologisk væv bruger forskerne her smarte halvledermaterialer og nanoteknologi.
Sådan omdanner sensoren varme til synligt grønt lys
Kernen i den nye teknologi er en ultratyn materialestabel oven på en almindelig CMOS-kamerasensor – samme type chip, der sidder i mange smartphones og digitalkameraer. Disse ekstra lag giver chippen et langt bredere synsfelt: fra almindeligt synligt lys helt ud i det infrarøde område.
Kvantetåger: bittesmå varmedetektorer
Det vigtigste lag består af kvantetåger 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 kvantetåger, opstår der et elektrisk signal. Det lyder enkelt, men i praksis forstyrrer chippens egen varme målingsprocessen. Baggrundssignalet – den såkaldte mørkestrøm – kan nemt overdøve de reelle varmesignaler.
Trick mod støj: isolerende barriere
For at begrænse denne støj har forskerne placeret en isolerende barriere mellem kvantetågerne og resten af elektronikken. Den består af zinkoxid kombineret med et særligt polymer (P3HT). Dette lag blokerer uønskede strømme forårsaget af chippens egen varme, men lader de signaler passere, der rent faktisk stammer fra infrarød stråling.
Derved forbliver billedet rent, selv ved stuetemperatur. Det er præcis 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 kun et elektrisk signal, men omsætter det direkte til synligt lys. Oven på det elektroniske lag sidder nemlig et tyndt lysudsenende lag med fosforescerende materialer, bl.a. baseret på iridium.
Når det elektriske signal fra kvantetågerne når dette lag, lyser det klart grønt op. Et almindeligt kamera kan derefter aflæse det grønne billede, som om det var en normal scene.
Ved først at omdanne infrarødt til grønt lys kan et standardkamera optage varmebilledet uden dyr, specialiseret elektronik.
| Egenskab | Ny slangesensor | Traditionelt infrarødkamera |
|---|---|---|
| Opløsning | 4K (3840 × 2160) | Ofte VGA til HD |
| Køling nødvendig | Nej, fungerer ved stuetemperatur | Ofte kryogen køling |
| Bølgelængdeområde | 0,4–4,5 µm (synligt + SWIR + del af MWIR) | Normalt begrænset til ét bånd |
| Målgruppe | Forbrugere og industri | Forsvar, forskning, industri |
4K-varmebilleder, selv i stjernesvagt lys
Den samlede struktur passer på en standard 4K-CMOS-chip med 3840 gange 2160 pixels. Det gør den ifølge forskerne til den første infrarødsensor i denne opløsning, der kører uden kølesystem.
Målinger viser, at sensoren leverer stærke resultater både i det nær-infrarøde (SWIR) og det mellem-infrarøde (MWIR) område. Lysstyrken i billedet kommer bl.a. op på cirka 6388 candela per kvadratmeter i SWIR-området og omkring 1311 cd/m² i MWIR-båndet. Det peger på et klart og veldefineret billede, selv når der kun ankommer lidt infrarød stråling.
Dynamikken – evnen til samtidig at fastholde meget mørke og meget lyse dele i ét billede – er også høj. Sensoren når op på omkring 38 decibel i SWIR-området og 33 decibel i MWIR-området. Derved forbliver detaljer synlige i både skygger og kraftigt opvarmede zoner, uden at billedet brænder ud eller lukker til.
Bemærkelsesværdig er følsomheden ved ekstremt lave lysniveauer. Sensoren kan måle signaler ned til 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter – sammenlignelig med lysstyrken fra stjerner på nattehimlen. Varmemønstre bliver dermed synlige, hvor det menneskelige øje og almindelige kameraer slet ikke længere registrerer noget.
Fra fabrikshal til smartphone-kamera
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 mange praktiske anvendelser, både professionelt og i hverdagen.
Industri, landbrug og sikkerhed
I industrien kan virksomheder opdage skjulte varmelæk, kortslutninger eller revnende komponenter uden at skrue udstyr fra hinanden. En operatør ser direkte, hvor maskiner overopheder, eller kabler bliver mistænkeligt varme.
I landbruget giver subtile temperaturforskelle information om afgrødernes sundhedstilstand. Et stykke jord under vandstress afkøler sig anderledes end et vitalt mark. En drone med denne sensor kan kortlægge det fra luften.
Også fødevaresikkerhed drager fordel. Emballager med afvigende temperatur eller fugtighed springer straks i øjnene, endnu inden produkterne begynder at fordærves. Tænk på koldkæder for kød, fisk eller vacciner, hvor en lille temperaturfejl kan få store konsekvenser.
Autonome biler og medicinske opdagelser i chipformat
For trafikken er infrarødsyn interessant i tæt tåge, kraftig regn eller ved natlige ture. En bil med sådan en sensor kan genkende fodgængere og dyr ud fra deres varmesignatur, selv når forlygterne kaster lidt eller intet tilbage.
Inden for medicinen er der udsigt til små endoskopiske kameraer, der ikke blot optager et farvebbillede, men også afslører lokale betændelsestilstande eller blodgennemstrømning via temperaturforskelle. Et sådant dobbelt overblik kan hjælpe læger med tidlig opsporing af anomalier.
Varmesyn i baglommen
Forskerne understreger, at deres design passer til eksisterende produktionsprocesser for CMOS-sensorer. Det betyder, at store chipproducenter i princippet kan integrere teknologien på deres nuværende produktionslinjer. Ifølge publikationen er hverken ekstra fabrikker eller ekstremt eksotiske materialer nødvendige.
Hvis omkostningerne falder som forventet, kan en fremtidig smartphone blot få en ekstra "varmekamera"-tilstand ved siden af portræt- og nattilstanden.
For forbrugere opstår der så alle slags hverdagsanvendelser: fra at finde træklæk i hjemmet og tjekke temperaturen på grillen til at finde sin kat sikkert i en mørk have. Også smarte overvågningskameraer og hjemmeautomationssystemer kan med en sådan sensor bedre skelne mellem en reel indtrængen og f.eks. en kvist, der flyver forbi i vinden.
Det skal du vide om infrarødt og varmebilleder
Infrarødt er ingen magisk røntgenstråle – det er ganske enkelt lys med en længere bølgelængde end rødt lys. Mennesker ser det ikke, men mærker det som varme på huden. Fordi ethvert objekt med en temperatur over det absolutte nulpunkt udsender infrarød stråling, kan man med den rette sensor "se" nærmest alt – også uden en lampe.
Varmebilleder viser typisk temperaturforskelle og ikke præcise grader celsius. Et glødende varmt objekt kan fremstilles som knaldhvidt og et koldt objekt dybt mørkt, mens begge i virkeligheden sagtens kan ligge på stuetemperatur i en relativ skala. Software spiller derfor en stor rolle: den bestemmer farvepaletter, følsomhed og hvilke detaljer der fremhæves.
For forbrugerprodukter er der stadig åbne spørgsmål. Hvordan håndterer man privatlivets fred, når kameraer kan kigge gennem røg, dis eller tynde materialer? Og hvordan forhindrer man, at brugere betragter varmebilleder som "sandheden", når fortolkning sommetider kræver specialviden – f.eks. ved medicinske eller bygningsmæssige inspektioner?
På den positive side kan en overkommelig 4K-varmesensor gøre mange processer både sikrere og mere energieffektive. Tænk på smarte termostater, der reelt ser, hvor varme går tabt, eller på redningsfolk, der under en brand hurtigere lokaliserer personer 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.
