Inspiration från ormens unika nattseende

Det kan låta som något hämtat ur en science fiction-film, men teknologin är faktiskt redan verklighet. Forskare har framgångsrikt utvecklat ett miniatyriserat termiskt kamerasystem i äkta 4K-kvalitet som fungerar felfritt helt utan de traditionella, klumpiga kylmodulerna. Detta avgörande genombrott gör det möjligt att på sikt integrera värmesensorer direkt i de tunna smartphonekamerorna som vi bär med oss dagligen.

Medan avancerat infrarött seende hittills främst varit förbehållet militären och specialiserade räddningsenheter, står vi nu inför en markant förändring för den vanliga konsumenten. Ett dedikerat forskarteam från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics har hämtat sin primära inspiration från naturen – närmare bestämt från ormens fascinerande förmåga att jaga i totalt mörker.

Vissa ormar är mästare på att navigera nattetid eftersom de kan registrera infraröd strålning, vilket i praktiken är värme. De är utrustade med en liten grop mellan ögat och näsborren som täcks av ett extremt känsligt membran. När denna tunna hinna träffas av värmeutstrålingen från ett bytesdjur, värms den upp mikroskopiskt lite och skickar omedelbart nervimpulser till hjärnan. Hjärnan smälter samman dessa värmesignaler med de visuella intrycken från ögonen, och kräldjuret får därmed en överlägsen intern termisk karta.

Det är exakt denna biologiska tvåkanalsmekanism som de kinesiska forskarna har lyckats återskapa i ett digitalt format. Genom att designa en papperstunn modul som monteras direkt ovanpå den välkända CMOS-sensorn har de byggt ett artificiellt, elektroniskt ormorgan. Denna hårdvara kräver ingen avancerad nedkylning för att fungera vid rumstemperatur, och den fångar värmebilder i en knivskarp upplösning på 3840 × 2160 pixlar.

Kvantprickar och nanostrukturer minimerar brus

Konventionella termokameror genererar betydande elektroniskt brus under användning, helt enkelt för att deras interna detektorer blir mycket varma. Lösningen på detta har historiskt sett varit stora, dyra och strömkrävande kylsystem. För att kringgå detta fundamentala problem har ingenjörerna konstruerat en ultratunn struktur bestående av avancerade material på nanometernivå.

Kärnan i den nya och kompakta sensordesignen utgörs av kvantprickar tillverkade av kvicksilver-tellurid. Dessa osynligt små halvledarpartiklar är ytterst känsliga för infraröd strålning, och deras precisa känslighet kan otroligt nog justeras genom att ändra deras fysiska storlek. I detta specifika projekt har de konfigurerats för att fånga våglängder upp till cirka 4,5 mikrometer, vilket täcker de mest vitala delarna av det infraröda spektrumet.

För att effektivt eliminera så kallad mörkerström – falska elektroniska signaler skapade av själva utrustningens egen värme – har forskarna byggt in en osynlig barriär. Denna komponent består av zinkoxid i kombination med den specialiserade polymeren P3HT. Systemet tillåter därmed endast de äkta infraröda signalerna att passera igenom, medan allt störande brus blockeras effektivt.

Det nyskapande systemet är uppbyggt av följande lager:

Kvantprickar av kvicksilver-tellurid som exakt fångar värmeutstrålingen.
En skyddande barriär av zinkoxid för effektiv undertryckning av signalbrus.
Polymeren P3HT som säkerställer en ren och selektiv signalgenomgång.
Iridium som spelar en nyckelroll i att utsända det synliga ljuset.
En standardiserad CMOS-sensor för den slutliga bildgenereringen.
Nanometriska materiallager som möjliggör den extremt tunna slutdesignen.

Foton till foton: Osynlig värme blir till grönt ljus

Att kunna registrera en elektronisk ström är inte i sig tillräckligt för att skapa en användbar smartphonekamera. Därför har utvecklarna integrerat ytterligare ett genialt lager av iridiumföreningar som har förmågan att utsända ljus direkt ovanför själva detektorstrukturen.

När sensormodulen fångar upp den osynliga värmen och omvandlar den till elektricitet, börjar detta översta lager omedelbart lysa med ett klart, grönt sken. Det smarta här är att den vanliga CMOS-sensorn utan problem kan ”se” detta ljus och behandla det som en normal bild i det synliga spektrumet. Denna eleganta process kallas för ”foton till foton”-konvertering.

Under de vetenskapliga testförhållandena uppnådde den färdiga modulen en imponerande konverteringseffektivitet på över 6 % i det närinfraröda området, väl att märka helt utan användning av aktiv kylning. Experterna bakom projektet framhäver att detta resultat representerar ett massivt framsteg för okylda kamerasensorer.

Äkta 4K-prestanda under extrema förhållanden

Hela denna komplexa nanoteknologi har med stor framgång applicerats på ett traditionellt bildchip med en standardupplösning på 3840 × 2160 pixlar. Det motsvarar exakt den välkända 4K-kvaliteten som de flesta känner till från moderna plattskärmar. Fram till denna uppfinning har den sortens detaljrikedom inom termisk övervakning endast funnits i astronomiskt dyr specialutrustning.

Laboratorietesterna har visat att systemet fångar skarpa detaljer även när den omgivande infraröda strålningen är minimal. Enheten opererar oklanderligt i både de när- och mittinfraröda banden, där den genererar bilder med en solid ljusstyrka som sträcker sig från 1311 till 6388 candela per kvadratmeter.

Känsligheten är direkt häpnadsväckande. Teknologin reagerar på marginella signaler som motsvarar ljusstyrkan från avlägsna stjärnor – ända ner till svindlande 10^-10 watt per kvadratcentimeter. Där det mänskliga ögat absolut inte kan se någonting, registrerar denna sensor knivskarpa konturer. Utöver detta säkerställer det obefintliga behovet av kylning en markant lägre strömförbrukning, vilket är essentiellt för handhållna enheter.

Praktiska fördelar i vardagen

Med detta teknologiska språng utvidgas mobilkamerans normala synfält massivt från det begränsade spektrumet på 0,4 till 0,7 mikrometer och hela vägen upp till cirka 4,5 mikrometer. Din framtida telefon kommer med andra ord att kunna registrera en osynlig värld som hittills varit dold för oss.

I vardagen öppnar det upp för en mängd otroliga möjligheter. Husägare och hantverkare kommer med en snabb svepning kunna se exakt var husets värme sipprar ut genom dålig isolering, eller hitta gömda vattenrör inne i väggarna. På vägen kommer smarta förarassistanssystem kunna upptäcka mörkklädda fotgängare eller vilda djur i vägkanten långt innan strålkastarna träffar dem. Lantbrukare kommer dessutom kunna övervaka grödornas hydrering genom att blott analysera de subtila temperaturskillnaderna på åkrarna.

Några av de mest lovande användningsmöjligheterna inkluderar:

Snabb spårning av överhettad elektronik eller vägguttag i hemmet.
Effektiv kontroll av dörrars och fönsters täthet innan vintern.
Säker och kontaktlös mätning av kroppstemperaturen hos barn och djur.
Lokalisering av en förlorad smartphone i en mörk gräsmatta via dess restvärme.
Imponerande nattfotografering av djurliv helt utan att skrämma dem med blixt.
Visuell diagnostisering av överhettade mekaniska delar under bilens motorhuv.
Exakt monitorering av matens temperatur under matlagning eller bakning.
Tidig identifiering av fuktskador och mögel i källaren.

En enorm kommersiell fördel är själva tillverkningsprocessen. De nya termomodulerna kan nämligen produceras direkt på de befintliga fabrikerna som redan bygger CMOS-chips idag. Det eliminerar behovet av att bygga nya, dyra produktionslinjer, vilket banar den direkta vägen för billig massproduktion.

Vägen från laboratoriet till fickan

Detta genombrott betyder inte nödvändigtvis att samtliga telefoner på marknaden får termiskt seende nästa månad. Tech-producenterna står fortfarande inför praktiska utmaningar kring strömstyrning och den slutliga mjukvaruintegrationen. Dessutom ska branschen bedöma hur denna avancerade utrustning överhuvudtaget ska klassificeras rent juridiskt.

Trots detta talar väldigt mycket för en snar introduktion. Eftersom hårdvaran inte kräver tjocka kylelement passar den lätt in i dagens ultratunna telefondesigner. Möjligheten till äkta nattseende kan mycket väl bli nästa stora ”killer feature” som branschen kommer att använda för att sälja nya modeller, precis som vidvinkelobjektiv och optisk zoom gjorde för år sedan.

När äkta värmeseende blir allemansegendom startar dock en oundviklig samhällsdebatt om privatlivets helgd. En enhet som i princip kan avläsa värmespår genom tunna textilier eller väggar kommer att kräva nya och striktare regleringar för att skydda folks data. Konsumenterna kommer också att behöva hjälp med att tolka de termiska bilderna korrekt, så att det inte dras förhastade medicinska slutsatser utifrån en färgglad display.

Om de stora smartphonetillverkarna väljer att ta denna innovation till sig får du plötsligt tillgång till ett professionellt verktyg som förenar en högteknologisk kamera, en termisk scanner och artificiell intelligens. Sammankopplingen av termisk data och smarta algoritmer kommer att kunna resultera i appar som aktivt varnar synskadade för varma hinder på gatan, eller som övervakar ditt spädbarns sovmiljö i totalt mörker. Den professionella övervakningstekologin flyttar närmare din byxficka än någonsin tidigare.