Ny ormsensor förvandlar din smartphone till 4K-värmekamera – Pasta Party

Smartphones kan snart få en helt ny förmåga: att se värme – precis som vissa ormar gör när de jagar i mörkret.

Kinesiska forskare har tagit fram en infraröd sensor som fungerar utan kylning, levererar kristallklara 4K-bilder och i framtiden kan integreras i en vanlig smartphone. Tekniken är inspirerad av ormars värmeavkänningssystem och kan innebära övergången från dyra militära värmekameror till vardagsutrustning för konsumenter.

Från nattjagande orm till chip i fickan

Vissa ormar kan jaga i fullständigt mörker tack vare en extra förmåga: de registrerar värmestrålning från sitt byte. Mellan ögonen och näsan har de ett slags värmegrop med ett tunt membran som är extremt känsligt för även de minsta temperaturskillnaderna. Detta membran reagerar på infraröd strålning som utsöndras av kroppsvärme.

Värmestrålningen omvandlas till nervsignaler som skickas till hjärnan. Ormen ”ser” därmed en sorts värmebild som kombineras med det normala synintrykket. På det sättet kan den i totalt mörker exakt lokalisera en råtta eller fågel.

Forskare från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics har återskapat denna princip. Deras mål var att bygga ett artificiellt system som fångar värmestrålning, omvandlar den till en tydlig synlig bild och förblir så kompakt att det passar till en standardkamerasensor.

Den nya sensorn fungerar som ett extra lager av varseblivning ovanpå en vanlig kamera: den översätter osynlig värmestrålning till en klar, synlig 4K-bild.

Liksom hos ormen handlar allt om rätt ”membransskikt” som kan konvertera subtila temperaturskillnader till en användbar signal. Forskarna använder dock inte biologisk vävnad utan smarta halvledarmaterial och nanoteknologi.

Så omvandlar sensorn värme till synligt grönt ljus

Kärnan i den nya tekniken är en ultratunna materialstack placerad ovanpå en vanlig CMOS-kamerasensor – samma typ av chip som finns i många smartphones och digitalkameror. Dessa extra lager ger chipet ett mycket bredare synfält: från vanligt synligt ljus till djupt infrarött.

Kvantprickarna: minimala värmedetektorer

Det viktigaste lagret består av kvantprickar tillverkade av ett material baserat på kvicksilvertellurid (HgTe). Det är mikroskopiska partiklar med justerbara egenskaper:

• de reagerar på infraröd strålning upp till cirka 4,5 mikrometers våglängd
• deras känslighet kan styras genom att ändra partikelstorlek
• de lämpar sig för att appliceras i tunna, jämna lager på ett chip

När infraröd strålning träffar dessa kvantprickar uppstår en elektrisk signal. Det låter enkelt, men i praktiken störs mätprocessen av chippets egen värme. Bakgrundssignalen – den så kallade mörkerströmmen – kan lätt överrösta de verkliga värmesignalerna.

Brusreducering via en isolerande barriär

För att begränsa detta brus har forskarna placerat en isolerande barriär mellan kvantprickarna och resten av elektroniken. Den består av zinkoxid kombinerat med en specialpolymer (P3HT). Detta lager blockerar oönskade strömmar orsakade av chippets egen värme, men släpper igenom de signaler som verkligen härrör från infraröd strålning.

Bilden förblir därmed ren även vid rumstemperatur. Det är just den stora skillnaden från klassiska infraröda kameror som ofta kräver kraftig kylning för att undertrycka störande brus.

Från elektrisk signal till grön bild

Nästa steg är anmärkningsvärt: sensorn producerar inte bara en elektrisk signal utan omvandlar den direkt till synligt ljus. Ovanpå det elektroniska lagret sitter nämligen ett tunt lysande lager med fosforescerande material, bland annat baserat på iridium.

När den elektriska signalen från kvantprickarna når detta lager börjar det lysa klart grönt. En vanlig kamera kan sedan läsa av denna gröna bild som om det vore en normal scen.

Genom att först konvertera infrarött ljus till grönt ljus kan en standardkamera fånga värmebilden utan dyr, specialiserad elektronik.

4K-värmebilder – även i stjärnljusets svaga sken

Den kompletta strukturen passar till ett standard 4K-CMOS-chip med 3840 gånger 2160 pixlar. Det gör den enligt forskarna till den första infraröda sensorn i denna upplösning som kan fungera utan kylsystem.

Mätningar visar att sensorn levererar starka resultat i både det nära infraröda (SWIR) och det mellersta infraröda (MWIR) området. Bildens ljusstyrka når exempelvis upp till cirka 6 388 candela per kvadratmeter i SWIR-området och omkring 1 311 cd/m² i MWIR-bandet. Det pekar på en klar och lättläst bild även när det bara finns mycket lite infraröd strålning närvarande.

Dynamiken – förmågan att samtidigt återge mycket mörka och mycket ljusa partier i en bild – är också imponerande. Sensorn uppnår omkring 38 decibel i SWIR-området och 33 decibel i MWIR-området. Därmed förblir detaljer synliga i både skuggor och kraftigt varma zoner utan att bilden bränns ut eller stängs till.

Särskilt anmärkningsvärd är känsligheten vid extremt låga ljusnivåer. Sensorn kan registrera signaler ner till 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter – motsvarande ljusstyrkan från stjärnor på natthimlen. Värmemönster blir alltså synliga där det mänskliga ögat och vanliga kameror inte registrerar någonting alls.

Från fabriksgolv till smartphonekamera

Eftersom sensorn utvidgar det synliga området till 0,4–4,5 mikrometer får kameror en extra ”kanal” vid sidan av den normala bilden. Det öppnar för en lång rad praktiska tillämpningar, både professionellt och i vardagen.

Industri, jordbruk och säkerhet

I industrin kan företag avslöja dolda värmeläckor, kortslutningar eller spruckna komponenter utan att ta isär utrustning. En operatör kan direkt se var maskiner överhettas eller där kablar blir misstänkt varma.

Inom jordbruket ger subtila temperaturskillnader upplysningar om grödornas hälsotillstånd. Ett stycke mark under vattenstress svalnar annorlunda än ett friskt fält. En drönare utrustad med denna sensor kan kartlägga det från luften.

Även livsmedelssäkerhet drar nytta härav. Förpackningar med avvikande temperatur eller fuktighet syns omedelbart innan produkter hinner förstöras – tänk på kyldistributionen för kött, fisk eller vacciner där även ett litet temperaturfel kan få stora konsekvenser.

Självkörande bilar och medicinsk upptäckt i chipform

I trafiken är infraröd syn intressant vid tät dimma, kraftigt regn eller nattliga turer. En bil med en sådan sensor kan känna igen fotgängare och djur utifrån deras värmesignatur även när strålkastarna knappt kastar tillbaka ljus.

Inom medicinen finns intresse för små endoskopiska kameror som inte bara tar en färgad bild utan också avslöjar lokala inflammationstillstånd eller blodgenomströmning via temperaturskillnader. En sådan dubbelblick kan hjälpa läkare med tidig upptäckt av avvikelser.

Värmeseende i bakfickan

Forskarna understryker att deras design är kompatibel med befintliga produktionsprocesser för CMOS-sensorer. Det betyder att stora chiptillverkare i princip kan integrera tekniken på sina nuvarande produktionslinjer. Enligt publikationen behövs varken nya fabriker eller extremt exotiska material.

Om priserna faller som förväntat kan en framtida smartphone helt enkelt få ett extra ”värmekamera”-läge – vid sidan av porträtt- och nattfotograferingslägena.

För konsumenter uppstår då en massa vardagstillämpningar: från att spåra drag i hemmet och kolla temperaturen på grillen till att hitta sin katt säkert i en mörk trädgård. Smarta övervakningskameror och smarta hem-system kan dessutom med en sådan sensor mycket bättre skilja mellan en verklig inkräktare och exempelvis en förbipasserande gren i vinden.

Det är värt att veta om infrarött ljus och värmebilder

Infrarött ljus är ingen magisk röntgenstrålning – det är helt enkelt ljus med en längre våglängd än rött ljus. Människor kan inte se det men uppfattar det som värme på huden. Eftersom varje objekt med en temperatur över absoluta nollpunkten utsänder infraröd strålning kan man med rätt sensor ”se” nästan allt – utan en enda ljuskälla.

Värmebilder visar typiskt temperaturskillnader och inte exakta grader Celsius. Ett glödande varmt objekt kan framstå som lysande vitt medan ett kallt objekt är djupt mörkt – båda kan i verkligheten befinna sig på rumstemperatur på en relativ skala. Mjukvara spelar därför en avgörande roll: den bestämmer färgpaletter, känslighet och vilka detaljer som framhävs.

För konsumentprodukter finns dock fortfarande öppna frågor. Hur hanterar man privatlivets fred när kameror kan se genom rök, dimma eller tunna material? Och hur undviker man att användare blint litar på värmebilder som ”sanningen” när tolkning ibland kräver specialiserad kunskap – exempelvis vid medicinska eller byggtekniska inspektioner?

På den positiva sidan kan en prisvärd 4K-värmesensor göra många processer både säkrare och mer energieffektiva. Tänk på smarta termostater som faktiskt ser var värmen försvinner eller på räddningstjänster som vid brand snabbare kan lokalisera människor genom rök och mörker. Det nya orminspirerade chipet visar att dessa tillämpningar tekniskt sett är inom räckhåll – så snart tillverkarna vågar ta steget mot massproduktion.