Teknologi fra science fiction er nu virkelighed
Det lyder som noget fra en fremtidsfilm – men det er allerede sket. Forskere har udviklet et miniaturiseret termovisionssystem i 4K-kvalitet, der fungerer helt uden massive køleenheder og kan integreres direkte i de kameramoduler, vi kender fra smartphones.
Indtil nu har infrarødt syn primært tilhørt militæret og specialiserede redningstjenester. Den nye teknologi kan forandre alt det. Et forskningsteam fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics lod sig inspirere af naturen – nærmere bestemt slangers evne til at jage i fuldstændig mørke.
Resultatet er et ultratynt lagdelt modul, der placeres direkte oven på den klassiske CMOS-sensor, som vi finder i mobiltelefoner. Det afgørende kendetegn: det virker ved stuetemperatur og registrerer alligevel infrarød stråling i 4K-opløsning – noget der hidtil krævede flydende kvælstofkøling og kluntet udstyr.
Hvordan slanger ser i mørket – og hvad ingeniører lærte af det
Visse slangearter kan jage om natten, fordi de registrerer varmestråling i det infrarøde spektrum. Mellem øjet og næseboret sidder en lille fordybning fyldt med en tynd, følsom membran. Når stråling fra varme objekter rammer membranen, opvarmes den minimalt og udløser nervesignaler.
Reptilens hjerne kombinerer disse signaler med det, øjnene ser. Resultatet er et varmekort over omgivelserne, hvor eksempelvis et lille byttedyrs krop skiller sig tydeligt ud fra den køligere baggrund. Denne tokanals-billeddannelse gør det muligt at jage effektivt selv i total mørke.
De kinesiske forskere besluttede at efterligne denne mekanisme elektronisk. Målet var at skabe et meget tyndт modul, der kan monteres direkte på en standard CMOS-sensor – et kunstigt slangeorgan, der hverken kræver køling eller fylder noget nævneværdigt, men stadig fanger infrarød stråling i en opløsning på 3840 × 2160 pixels.
Nanostrukturer, kvantetråde og grønt lys
Traditionelle termokameraer bruger typisk detektorer, der selv genererer betydelig varme og dermed producerer elektronisk støj. Derfor kræver de køling, hvilket øger både størrelse og pris drastisk. Forskerholdet valgte en helt anden tilgang: en ultratynd lagstruktur bygget af materialer i nanometerskala.
Kernen i den nye sensor er såkaldte kvantetråde af kviksølvtellurid. Disse ekstremt små halvlederkrystaller er følsomme over for infrarød stråling, og følsomheden kan justeres ved at ændre deres størrelse. I dette projekt blev de kalibreret til at opfange stråling op til en bølgelængde på cirka 4,5 mikrometer, hvilket dækker vigtige dele af det nære og mellemste infrarøde område.
Det største tekniske problem viste sig at være såkaldte mørkestrømme – støj genereret af det opvarmede detektionselement selv, som kan overdøve det reelle signal. Forskerne indsatte derfor en barriere af zinkoxid og den specielle polymer P3HT mellem kvantetrådene og resten af strukturen. Dette lag blokerer falske impulser og lader kun signaler fra ægte infrarød stråling passere.
Et af de vigtigste tekniske gennembrud var at opnå stabilitet ved stuetemperatur. Ingeniørerne anvendte en specifik kombination af materialer:
- Kvantetråde af kviksølvtellurid til opfangning af infrarød stråling
- Barrièrelag af zinkoxid til støjreduktion
- Polymeren P3HT til selektiv signalgennemgang
- Iridium til emission af synligt lys
- Standard CMOS-sensor til den endelige billedfremvisning
- Nanometerтynde lag der muliggør kompakt konstruktion
Fra usynlig varme til et skarpt grønt billede
Det er ikke nok blot at registrere en elektrisk strøm, hvis teknologien skal fungere i kompakte kameraer. Ingeniørerne tilføjede derfor endnu et smart element: over detektorstrukturen placerede de et lysudsendende lag baseret på iridiumforbindelser.
Når sensoren opfanger infrarød stråling og omdanner den til et elektrisk signal, udsender dette øverste lag et stabilt grønt lys. Den almindelige CMOS-sensor kan uden problemer aflæse dette lys som et normalt billede i det synlige spektrum. Hele processen kaldes foton-til-foton-konvertering – usynlig infrarød stråling bliver til et synligt billede.
I tests opnåede modulet en konverteringseffektivitet på over seks procent i det nære infrarøde område – og altså uden aktiv køling. For et så kompakt system er det et bemærkelsesværdigt resultat. Forskerne fra de to kinesiske institutter understreger, at denne værdi repræsenterer et markant fremskridt sammenlignet med eksisterende ukølede sensorer.
4K i infrarødt på en almindelig CMOS-sensor
Hele den lagdelte struktur blev påsat en typisk CMOS-matrix med opløsningen 3840 × 2160 pixels – altså fuld 4K, som vi kender det fra fjernsyn og nyere mobiltelefoner. Indtil nu har så høje opløsninger i infrarød billedtagning været forbeholdt kølede og dyre specialkameraer primært til militær og industri.
Den nye sensor håndterede i testene flere centrale udfordringer. Den registrerede tydelige detaljer selv ved meget svage niveauer af infrarød stråling. Den fungerede i to bånd – det nære og det mellemste infrarøde område. Og den genererede billeder med en lysstyrke tilstrækkelig til videre behandling og visning – fra cirka 1311 til 6388 candela per kvadratmeter.
Særligt imponerende er den ekstreme følsomhed. Systemet reagerer på signaler svarende til stjernernes lysstyrke – i størrelsesordenen ti til minus ti watt per kvadratcentimeter. Det er et niveau, hvor det menneskelige øje er fuldstændig blind, og et almindeligt kamera oftest kun ser sort.
Pekingforskerne fremhæver, at enheden bevarer et godt dynamisk område – den håndterer altså simultant mørke og meget lyse dele af en scene. For praktisk brug i smartphones er det også afgørende, at modulet har et lavt strømforbrug, da der ikke skal bruges energi på et kølesystem.
Hvad betyder det for den almindelige smartphonebruger?
I praksis udvider den nye teknologi det synlige område for en almindelig sensor fra det typiske interval på 0,4 til 0,7 mikrometer helt op til cirka 4,5 mikrometer. Med andre ord begynder kameraet at registrere spektralområder, der normalt er totalt utilgængelige for øjet.
I hverdagen kunne en sådan funktion vise sig nyttig i mange situationer. Redningstjenester og sikkerhedspersonale kan finde mennesker i røgfyldte rum, om natten eller i tæt tåge. Derhjemme under renovering kan du hurtigt se, hvor varme siver ud af lejligheden, eller hvor rørene løber i væggen.
I bilindustrien ville førerassistentsystemer kunne opdage fodgængere og dyr langt uden for forlygternes rækkevidde. Landmænd kan vurdere vanding og afgrødernes sundhedstilstand ud fra subtile temperaturforskelle. Inden for medicin og fitness åbner teknologien for berøringsfri temperaturmåling, overvågning af blodgennemstrømning og registrering af overophedede områder i kroppen.
Yderligere anvendelsesmuligheder omfatter:
- Registrering af overophedede elektriske apparater i hjemmet
- Kontrol af vinduers og døres isoleringsevne
- Overvågning af kæledyrs og børns temperatur
- Søgning efter en tabt telefon via varmesporet
- Naturfotografering af vilde dyr uden forstyrrende lys
- Diagnose af mekaniske komponenter i biler
- Overvågning af madtemperaturer under tilberedning
- Identifikation af fugt- og skimmelstedet via temperaturanomalier
Forskerne pointerer, at modulet kan produceres i fabrikker, der allerede anvender produktionslinjer til klassiske CMOS-sensorer. Der er ikke behov for helt nye og kostbare anlæg, hvilket umiddelbart øger chancerne for masseproduktion. Infrarødt syn kan således udvikle sig fra et militært gadget til endnu en standardfunktion i kameraappen – ved siden af nattilstand og portrættilstand.
Vejen fra laboratoriet til lommen
Det betyder ikke, at enhver ny telefonmodel snart vil have et ægte termokamera. Der rejser sig mange spørgsmål: hvordan håndteres energiforbruget, om det kan betale sig for producenterne at tilføje endnu et modul, og hvordan sådanne enheder klassificeres i forhold til regulering af overvågningsudstyr.
Samtidig er der mange argumenter for teknologien. Modulet kræver ingen aktiv køling, så det er lettere at placere i en tynd enhed. Hele fabrikker behøver ikke redesignes. Funktionen i sig selv kan blive et differentieringsparameter – ligesom nattilstand eller optisk billedstabilisering engang var det.
Forskerne gør også opmærksom på privatlivsspørgsmål. Når ægte termovision ankommer til lommestørrelse, vil der opstå diskussioner, som man sjældent tænker over i dag. En telefon der kan kigge igennem tynde vægge eller visse materialer kan vække bekymringer om databeskyttelse. Selv om teknologien i praksis viser varmefordelingen frem for skarpe silhuetter, vil regulatoriske spørgsmål dukke op hurtigt.
Et andet punkt er fortolkning af sådanne billeder. Et farvekodet varmekort ser imponerende ud, men man kan let drage fejlagtige konklusioner – for eksempel ved vurdering af en persons helbredstilstand eller brandrisiko. Der kan forventes en bølge af apps, der anvender filtre, foreslår tolkninger eller kombinerer varmedata med information fra andre sensorer som lidar eller radar i biler.
Hvis smartphoneproducenterne griber denne teknologi, får du et værktøj i hånden, der forener kamera, scanner og enkel omgivelsesanalysator i ét. Kombinationen af infrarøde data med kunstig intelligens kan for eksempel give apps, der diagnosticerer overophedede apparater, vurderer børns søvnforhold eller hjælper svagtseende ved at advare om mennesker og forhindringer i nærheden. Det er en teknologi, der indtil for ganske nylig udelukkende var forbeholdt specialister og militæret.
