Genombrott: Snart kan smartphones se värme som en orm

Från dyr militärkamera till sensor i fickan

Teknologin tar inspiration från ormars förmåga att ”känna värme” och förvandlar infraröd strålning direkt till synliga bilder i 4K-upplösning. Detta för överkomlig värmesiktsteknik till konsumenter, fordon och medicinska tillämpningar betydligt närmare verkligheten.

Hittills har infraröd bildbehandling främst varit hemma i militära nattkameror, kostsamma industrikameror och specialiserade laboratorier. Sådana system är stora, dyra och kräver ofta kylning med flytande kväve eller komplicerade kylaggregat för att leverera användbara bilder.

Forskare från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics presenterar nu något helt annorlunda: ett tunt lager placerat ovanpå en vanlig CMOS-kamerasensor — den typ av chip som redan finns i smartphones — som omvandlar infraröd strålning till synligt ljus. Utan kylning, och med en upplösning på 3840×2160 pixlar — fullständig 4K.

Denna nya sensor förvandlar osynlig värme till grönt ljus som en vanlig kamera kan fånga direkt.

Det gör språnget från laboratorium till vardagselektronik avsevärt kortare. Tillverkare behöver inte utveckla en helt ny kameratyp, utan kan använda samma produktionsprocesser som de redan använder för miljarder smartphones.

Så här ser ormar värme — och vad ingenjörerna kopierar från dem

Vissa ormarter, som skallerormar och vissa pythonormar, kan lokalisera byte i mörkret tack vare särskilda värmekänsliga organ placerade mellan ögonen och näsborrarna. Dessa håligheter innehåller ett membran som registrerar minimala temperaturskillnader.

När varmblodiga djur befinner sig i närheten framträder deras varmare kroppsdelar som ”fläckar” på detta membran. Nerverna skickar informationen vidare till hjärnan, som kombinerar den med normal synlig input. Resultatet blir en dubbelseende: vanlig utsikt plus en värmebild ovanpå.

Forskarna använde denna princip som mall. Deras system består likaså av ett tunt, känsligt lager som fångar infraröd strålning och omvandlar den till en signal som ”hjärnan” — i detta fall kamerachipet — kan bearbeta.

Från ormmembran till nanomaterial

Istället för ett biologiskt membran använder forskarna nanopartiklar, så kallade kvantprickar, baserade på kvicksilvertellurid (HgTe). Genom att variera storleken på dessa partiklar kan de exakt anpassas till infraröda våglängder upp till cirka 4,5 mikrometer.

• Ormmembranet reagerar på temperaturskillnader i luften.
• Kvantprickarna reagerar på infrarött ljus som utsänds av varma objekt.
• I båda fallen bildas ett mönster som ger information om värmefördelningen i omgivningen.

Ett viktigt steg var att filtrera bort brusets signaler. Sensorn värms själv upp något, vilket kan skapa brus — den så kallade ”mörkerströmmen”. För att minska detta brus lade forskarna till ett extra isolerande lager av zinkoxid och en särskild polymer (P3HT). Detta lager släpper igenom den önskade signalen men blockerar en stor del av det interna bruset.

Ljusets trick: värmen omvandlas först, sedan filmas det

Sensorn fungerar inte som många befintliga infraröda kameror som läser av elektriska signaler direkt. Här lägger forskarna till ett extra steg: den elektriska infraröda signalen omvandlas först till synligt ljus, och det är detta ljus som det underliggande CMOS-chipet läser av.

För detta ändamål finns det över kvantprickarna ett lager med fosforescerande material, inklusive en iridiumförening. När kvantprickarna fångar infraröd strålning och omvandlar den till en elektrisk signal, utsänder det lysande lagret ett stabilt grönt sken i samma mönster. Kameran under lagret ser alltså en normal grön bild där värmeinformationen redan är visuellt närvarande.

Genom att omvandla värme till grönt ljus kan vilket standardkamerachip som helst plötsligt få ”nattögon”.

Enligt forskarna uppnår systemet en foton-till-foton-verkningsgrad på över 6 procent i det närinfraröda området. Det låter lågt, men för denna typ av teknik är det förvånansvärt högt — särskilt utan kylning.

4K-värmebild, även i stjärnljus

Prestanda är anmärkningsvärda. Sensorn levererar 4K-upplösning och förblir användbar i både det närinfraröda (SWIR) och mellaninfraröda området (MWIR) — två viktiga zoner inom värmebildning.

För att beskriva ljusstyrkan använder forskarna enheten candela per kvadratmeter, ett standardmått för ljusintensitet. Sensorn uppnår cirka 6388 cd/m² i det närinfraröda och 1311 cd/m² i det mellaninfraröda området. Det ger en tydlig bild även när mängden infrarött ljus är begränsad.

Det dynamiska området är likaså slående. Tekniskt sett: cirka 38 decibel i det närinfraröda och 33 decibel i det mellaninfraröda området. Sagt enklare kan kameran samtidigt visa mycket ljusa och mycket mörka detaljer i en bild, utan att partier bränns ut eller försvinner i svart.

Känsligheten sträcker sig ner till extremt låga ljusnivåer, jämförbara med det svaga ljuset från stjärnor: omkring 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter. Det öppnar dörren till tillämpningar inom astronomi och rymdfart, där ljusnivåerna är minimala.

Vad du snart kan göra med en sådan värmekamera

Eftersom sensorn utvidgar en standardkameras känslighetsspektrum från cirka 0,4–0,7 mikrometer till 0,4–4,5 mikrometer, får en och samma kamera ett helt nytt ”extra sinnesorgan”. Det ger praktiska användningsmöjligheter inom en lång rad sektorer.

Industri och teknik

• Inspektion av rörledningar och maskiner för tidig upptäckt av överhettade komponenter.
• Kontroll av solpaneler eller kretskort för dolda defekter.
• Säker övervakning av farliga miljöer, såsom kemiska anläggningar.

Eftersom sensorn kan se genom rök, dimma eller vissa material blir problem synliga som förblir osynliga i normalt ljus. Tänk på läckage bakom isolering eller kortslutning i slutna skåp.

Bilar, drönare och smarta kameror

För bilindustrin kan en sådan sensor vara en gamechanger. Självkörande fordon kämpar med dimma, regn, kraftigt motljus eller mörker. En värmekamera kan fortfarande skilja mellan en kall vägbana och en varm kropp — som en fotgängare eller ett djur.

Drönare skulle med denna teknik kunna utföra nattinspektioner över industriområden, jordbruksmarker eller skogsområden utan att medföra tunga, kylda kameror. Säkerhetskameror på byggnader får likaså en större räckvidd eftersom de inte längre är beroende av lampor eller gatubelysning.

Medicin, jordbruk och hemmabruk

Inom medicin ger värmebildning ett extra informationslager. Inflammationer, dålig blodcirkulation eller sårläkning visar ofta subtila temperaturskillnader. Med en kompakt sensor i exempelvis ett endoskop eller bärbart instrument kan en läkare observera dessa skillnader direkt.

Lantbrukare skulle med värmebilder av grödor tidigare kunna känna igen stress orsakad av torka, sjukdom eller rotproblem. Växter som tar upp mindre vatten kyls mindre ner genom avdunstning och skiljer sig därmed termiskt ut.

Hemmabruk ligger likaså nära till hands: en smartphone som kan se värme hjälper till att upptäcka värmeläckage i en bostad, kontrollera en överhettad laddare eller leta efter ett husdjur i mörkret.

När ser vi det i vår telefon?

Forskarna understryker att deras design är byggd på befintlig CMOS-teknik. De extra lagren — kvantprickar, isolator, lysande lager — kan i princip appliceras ovanpå befintliga chip. Det gör massproduktion mer realistisk än vid många tidigare infraröda prototyper som krävde helt annorlunda hårdvara.

Innan tekniken faktiskt landar i telefoner måste tillverkarna testa sensorerna ytterligare för hållbarhet, energiförbrukning och säkerhet för de använda materialen. Kvicksilverföreningar, som de i kvantprickarna, kräver exempelvis noggrann inkapsling för att utesluta risker.

Vad betyder det för integritet och säkerhet?

Kameror som kan registrera temperaturskillnader väcker också nya frågor. En värmebild kan avslöja närvaron av människor bakom tunna väggar, aktivitet i en bostad eller till och med hälsorelaterade förhållanden. Lagstiftning och riktlinjer för användning av termiska kameror haltar efter i många länder.

För konsumenter kommer skillnaden mellan en ”rolig gadget” och en seriös sensor primärt ligga i mjukvaran. Apputvecklare bestämmer vilka data som är synliga, hur exakta de är och om bilderna förblir anonyma. Filter som suddar ut detaljer eller begränsar upplösningen kan hjälpa till att motverka missbruk.

Nyttig bakgrund: vad är infrarött egentligen?

Infrarött ljus har en längre våglängd än synligt rött ljus. Människor kan inte se det, men känner det som värme — till exempel från en infraröd lampa eller en brasa. Varje objekt över absoluta nollpunkten utsänder lite infraröd strålning; ju varmare det är, desto starkare och kortare är våglängden.

En sensor som täcker ett brett spektrum från 0,4 till 4,5 mikrometer fångar både reflekterat solljus och utstrålad värme. Det ger en rik bild som visar detaljer som är fullständigt dolda för blotta ögat.

I vardagslivet kan det användas för att upptäcka energiförlust i bostäder, hitta blockeringar i golvvärme eller helt enkelt se vilka elektriska apparater som använder ström — eftersom de är varmare än sin omgivning.