Ingeniører har bygget et miniature-termokamera til smartphones
Kinesiske forskere har konstrueret et ultrakompakt termokamera, der passer direkte på en almindelig smartphone-sensor. Inspirationen kom fra slanger, der jager i mørket ved hjælp af byttedjurs varmestråling.
Det er ikke et marketingkneb, men resultatet af seriøst videnskabeligt arbejde. Målet var at overføre et biologisk varmeoptagelses-princip direkte til hverdagselektronik – fra mobiltelefoner til kameraer i biler.
Sådan registrerer slanger varme – og hvordan teknikken efterligner det
Visse slangearter besidder ud over normalt syn en såkaldt termisk sans. Mellem øjet og næsebore sidder en specialiseret grube med en tynd membran, der reagerer på infrarød stråling fra varme objekter – for eksempel et dyrs eller et menneskes krop. Når infrarøde bølger rammer membranen, opvarmes den svagt, og der opstår et nerveimpuls, som hjernen kombinerer med det, øjet ser.
Resultatet er, at dyret oplever et slags "varmelag" oven på det normale billede og dermed kan jage effektivt i fuldstændigt mørke uden antydning af lys. Denne biologiske finesse fascinerede et forskerhold fra Beijing Institute of Technology og Changchun Institute of Optics, som besluttede sig for at bygge et elektronisk modstykke til dette organ.
Sådan omdannes infrarød stråling til et 4K-billede
Traditionelle termokameraer er store, dyre og kræver køling til meget lave temperaturer. Det er den primære grund til, at de primært ender i militæret, industrien og laboratorier – og ikke i en lommestørrelse enhed. Den nye teknologi sigter præcis mod dette problem og fungerer ved stuetemperatur uden komplekse kølesystemer.
Kernen i den nye sensor er såkaldte kvantetråde af kviksølvtellurid (HgTe). Det er bittesmå halvlederpartikler i nanometerstørrelse, der absorberer infrarød stråling ved bølgelængder op til cirka fire og en halv mikrometer. Deres størrelse kan justeres, så følsomheden matcher et bestemt interval i det infrarøde spektrum.
Problemet er, at selve det infrarødfølsomme materiale ikke er nok. Høj temperatur i elektroniske komponenter skaber såkaldte mørkestrømme – støj der efterligner et virkeligt signal. Det svarer lidt til, at et kamera konstant forsøger at tage billeder og forveksler sin egen varme med motivet foran objektivet. Forskerne løste dette ved at indføre et meget tyndt isolerende lag af zinkoxid og den specielle polymer P3HT, som blokerer falske varmesignaler fra kredsløbet, men samtidig lader den ladning passere, som genereres af reel infrarød stråling udefra.
Laget der omdanner elektrisk strøm til synligt lys
I stedet for at sende den rene elektriske strøm til et klassisk optagelseskredsløb tog forskerne et skridt videre. Oven på kvantetråd-laget placerede de et lysemitterende lag. Når det elektriske signal fra den infrarøde stråling ankommer, udsender dette lag synligt lys – i forsøgene en stabil grøn farve genereret af iridiumforbindelser.
Infrarødsensoren lyser direkte ned på en CMOS-matrice, så et almindeligt kamera kan "se" varme i 4K-kvalitet. Det samlede system er monteret på en standard CMOS-sensor, som anvendes i stor skala i kameraer og smartphones. Det betyder, at enhedens elektronik ikke behøver ændres – i stedet for at bygge en helt ny kameratype tilføjes blot et tyndt lag, der konverterer infrarød stråling til synligt lys.
Forskerne opnåede en opløsning på 3840 × 2160 pixels, svarende til 4K. Dækningsområdet spænder over det nær- og melleminfrarøde område (SWIR og MWIR). Konverteringseffektiviteten overstiger seks procent foton-til-foton i det nær-infrarøde område. Sensoren kræver ingen køling, hvilket dramatisk reducerer systemets kompleksitet.
- Opløsning på 3840 × 2160 pixels – svarende til 4K-standarden
- Dækning fra nær- til melleminfrarødt område
- Konverteringseffektivitet over seks procent foton-til-foton
- Fungerer ved stuetemperatur uden køling
- Kompatibel med standard CMOS-matricer
- Anvender kvantetråde af kviksølvtellurid
- Isolerende lag af zinkoxid blokerer støj
- Lysemitterende lag med iridiumforbindelser skaber synligt billede
Syn i mørket, gennem røg og bag silicium
Under testene klarede den nye sensor sig i forhold, hvor et konventionelt kamera reelt set er "blindt". Systemet producerede tydelige billeder selv ved meget svag infrarød stråling, sammenlignelig med stjernelys. Følsomheden nåede ned til signaler i størrelsesordenen 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter.
I praksis betyder det, at et sådant modul kan registrere temperaturforskelle i fuldstændigt mørke og desuden gennem materialer, der er uigennemsigtige for synligt lys – såsom siliciumplader eller visse kemiske beholdere. For et almindeligt kamera er det et sort billede; for den nye sensor er det et detaljeret termisk billede.
Det såkaldte dynamiske område er også værd at bemærke. Enheden håndterer både meget svage og stærke signaler i samme optagelse – cirka 38 decibel for det nær-infrarøde og 33 decibel for det melleminfrarøde. Det gør det muligt at se kolde baggrunde og varme elementer i samme scene uden overeksponering eller tab af detaljer. Sensorens synsområde udvides fra typiske 0,4–0,7 mikrometer til cirka 0,4–4,5 mikrometer, altså adskillige gange længere ind i det usynlige infrarøde spektrum.
Hvor dette kamera sandsynligvis dukker op først
Udvidelsen fra synligt lys til bredt infrarødt åbner for en række muligheder i professionelle anvendelser. Forskerne peger på flere sektorer, hvor teknologien tidligst kan gøre sin entre.
I fabrikker vil et 4K-termovisionskamera på afstand kunne afsløre overophedede komponenter, utætte rør, isolationsfejl og farligt opvarmede maskiner. I dag udføres sådanne inspektioner typisk med tunge, dyre kameraer betjent af specialuddannet personale. Inden for landbrug hjælper det følsomme infrarøde område med at overvåge afgrødernes tilstand – planter under vandstress eller sygdom ændrer ofte deres varmeudsendelse, inden det er synligt for det blotte øje. Termisk analyse fra en drone eller et køretøj kan advare landmænd om et problem, inden udbyttet falder.
Tilsvarende kan kameraet inden for logistik og fødevareemballage kontrollere, om der er mistænkelig kondensation, uens temperaturfordeling eller overdreven produktopvarmning inde i emballagen. I bilindustrien kan en sådan sensor udgøre et ekstra "syn" for køretøjet og hjælpe med at registrere fodgængere, cyklister og dyr på vejen i tæt tåge, kraftig regn, om natten og ved blænding fra modkørende forlygter. Førerassistentsystemer vil dermed få et langt rigere situationsbillede.
Inden for medicin kan miniature-termokameraer i høj opløsning bruges til at påvise betændelsestilstande, kredsløbsforstyrrelser eller utætheder i medicinsk udstyr. Et overblik over temperaturfordelingen på huden eller på et organs overflade under et indgreb giver lægen supplerende information. For almindelige brugere er den mest lokkende udsigt dog integrationen af en sådan funktion i smartphones, hjemmeovervågningskameraer eller robotstøvsugere. Forskerne understreger, at teknologien kan produceres på eksisterende CMOS-sensorproduktionslinjer uden at bygge nye fabrikker.
Hvad det betyder for den almindelige telefonbruger
Adgang til termovision i lommen kan ændre den måde, du løser mange dagligdags opgaver på. Brugere uden teknisk ekspertise vil hurtigt kunne tjekke, hvor varmen siver ud af boligen, om radiatoren fungerer jævnt, hvor rørene løber inde i væggen, og om en oplader, et forlængerledning eller et batteri er ved at overophede farligt.
Teknologien medfører dog også risici. Den høje opløsning og følsomhed gør det muligt at iagttage mennesker gennem tynde skillevægge, anslå deres tilstedeværelse i en lejlighed via varmeudsendelse eller spore aftryk efterladt af opvarmede bildæk. Det rejser spørgsmål om privatliv og behovet for klare regler for brugen af sådanne funktioner på offentlige steder.
Det er også værd at nævne, at et termisk billede kræver korrekt fortolkning. En temperaturforskel betyder ikke nødvendigvis et problem, og i visse situationer kan fejlagtig analyse føre til unødig alarm. Softwareproducenter vil skulle tilføje gode algoritmer og letforståelige meldinger, så brugeren ikke udelukkende stoler på farvede pletter på skærmen.
Fra et teknisk synspunkt er holdbarheden af de lysemitterende lag og kvantetrådene ved daglig smartphonebrug stadig en udfordring – ved fald, pludselige temperaturskift og intens sollys. Det er den fase, hvor laboratorieprototyper skal bevise deres robusthed i det virkelige liv, inden de rammer massemarket. Hvis omkostningerne falder, dukker funktionen "4K termisk tilstand" måske en dag op ved siden af "nat" og "portræt" i kameraappen.
