Revoluční senzor inspirovaný přírodou
Chytré telefony by brzy mohly vidět mnohem více než lidské oko. Vědci vyvíjejí miniaturní termovizní kameru, která se vejde přímo na běžný obrazový snímač.
Nejde o žádný reklamní trik. Čínští výzkumníci se nechali inspirovat způsobem, jakým noční lovci mezi hady vnímají teplo své kořisti. Tento přírodní mechanismus se nyní snaží přenést do spotřební elektroniky – od mobilních telefonů až po automobilové kamery.
Hadí smysl pro teplo jako vzor
Určité druhy hadů disponují jedinečným „tepelným vnímáním". Mezi okem a nosními dírkami mají speciální jamku s tenkou membránou reagující na infračervené záření vyzařované teplými objekty, ať už jde o zvířata nebo lidi.
Když infračervené vlny dopadnou na tuto membránu, její části se mírně zahřejí. Vzniká nervový impuls, který mozek spojí s obrazem z očí. Výsledkem je jakási „tepelná vrstva" překrývající normální vidění, díky níž had úspěšně loví i v naprosté tmě bez jakéhokoliv světla.
Tento biologický trik uchvátil tým z Beijing Institute of Technology a Changchun Institute of Optics. Rozhodli se vytvořit elektronickou obdobu tohoto orgánu – extrémně tenký modul, který zachytí teplo a okamžitě ho převede na obraz čitelný běžnou kamerou.
Nový systém funguje jako digitální verze hadího smyslu: „naslouchá" tepelnému záření a okamžitě ho zobrazuje v jasném barevném obraze.
Od záření k obrazu 4K: co je uvnitř
Klasické termovizní kamery jsou rozměrné, drahé a vyžadují chlazení na velmi nízké teploty. Proto se používají především v armádě, průmyslu a laboratořích, nikoliv v kapse běžného uživatele. Nová technologie míří přesně na tento problém: funguje při pokojové teplotě bez složitého chlazení.
Kvantové tečky – neviditelné pixely
Základem nového snímače jsou takzvané kvantové tečky z teluridu rtuti (HgTe). Tyto drobné nanometrické polovodičové částice pohlcují infračervené záření o vlnové délce přibližně 4,5 mikrometru. Jejich velikost lze upravit pro optimální citlivost na konkrétní rozsah infračerveného spektra.
Samotný materiál citlivý na infračervené záření ale nestačí. Vysoká teplota elektronických součástek generuje takzvané temné proudy – šum, který se tváří jako skutečný signál. Je to podobné, jako by fotoaparát neustále pořizoval snímky a zaměňoval vlastní teplo s tím, co se děje před objektivem.
Proto vědci přidali velmi tenkou izolační vrstvu z oxidu zinečnatého a speciálního polymeru P3HT. Tato bariéra blokuje falešné tepelné signály ze samotného obvodu, zatímco propouští náboj generovaný skutečným infračerveným zářením z okolí.
Trik se svítící vrstvou: proud se mění ve světlo
Místo odesílání čistého elektrického proudu do klasického čtecího obvodu zvolili badatelé jiný přístup. Nad vrstvou kvantových teček umístili vrstvu, která světélkuje. Když přichází elektrický signál vzniklý z infračerveného záření, tato vrstva vyzařuje viditelné světlo – v experimentech stabilní zelenou barvu generovanou sloučeninami iridia.
Infračervený senzor svítí přímo na CMOS matici, takže běžná kamera stačí k „vidění" tepla v kvalitě 4K.
Celé zařízení bylo umístěno na standardní CMOS snímač používaný masově ve fotoaparátech a mobilech. Elektronika zařízení se tedy nemusí měnit – místo stavby zcela nového typu kamery lze přidat tenkou vrstvu převádějící infračervené záření na světlo.
- Rozlišení: 3840 × 2160 pixelů (4K)
- Rozsah: blízké až střední infračervené spektrum (SWIR a MWIR)
- Účinnost konverze: přes 6 % foton-foton v blízkém infračerveném pásmu
- Chlazení senzoru: není potřeba
Vidění ve tmě, přes kouř i křemík
Během testů si nový senzor poradil s podmínkami, ve kterých klasická kamera prakticky „oslepne". Systém generoval zřetelné obrazy i při velmi slabém infračerveném záření srovnatelném s hvězdným svitem. Citlivost dosahovala signálů řádově 10⁻¹⁰ wattu na centimetr čtvereční.
V praxi to znamená, že takový modul dokáže zaznamenat teplotní rozdíly v naprosté tmě a také přes materiály neprůhledné pro viditelné světlo, jako jsou křemíkové destičky či některé chemické nádobky. Pro klasickou kameru černý obraz, pro nový senzor – detailní tepelný snímek.
Důležitý je rovněž takzvaný dynamický rozsah. Zařízení si dobře poradí jak s velmi slabými, tak silnými signály v jednom záběru. Pro blízké infračervené spektrum dosahuje asi 38 decibelů, pro střední 33 decibelů. Díky tomu v jedné scéně vidíte chladné pozadí i horké prvky bez přepalů či ztráty detailů.
Rozsah vidění senzoru se rozšiřuje z typických 0,4–0,7 mikrometru na přibližně 0,4–4,5 mikrometru, tedy několikanásobně dále směrem k neviditelnému infračervenému záření.
Kde se taková kamera objeví nejdříve
Rozšíření citlivosti z viditelného spektra na široké infračervené pásmo otevírá řadu dveří v profesionálních aplikacích. Vědci identifikovali několik oblastí, kam technologie může proniknout jako první.
Průmysl, zemědělství a kontrola kvality
V továrnách umožní kamera fungující jako termovize 4K na dálku odhalit přehřáté komponenty, netěsná potrubí, vady izolace nebo nebezpečně se zahřívající stroje. V mnoha odvětvích se takové kontroly dnes provádějí těžkými drahými kamerami obsluhovanými specializovaným personálem.
V zemědělství pomáhá citlivé infračervené snímání sledovat stav plodin. Rostliny pod vodním stresem nebo nemocné často mění způsob vyzařování tepla dříve, než je to patrné pouhým okem. Tepelná analýza z dronu nebo vozidla může zemědělce varovat před problémem dříve, než klesne úroda.
Podobně v logistice a potravinářských obalech – kamera ověří, zda uvnitř nedochází k podezřelé kondenzaci páry, nesprávnému rozložení teploty nebo nadměrnému zahřívání produktu.
Automobily, medicína a domácí gadgety
V automobilech by se takový senzor mohl stát další vrstvou „zraku" vozidla. Pomohl by detekovat chodce, cyklisty či zvířata na silnici při husté mlze, silném dešti, v noci i při oslňujících protijedoucích světlech. Asistenční systémy řidiče by získaly výrazně bohatší obraz situace.
Ve zdravotnictví mohou miniaturní termovizní kamery s vysokým rozlišením posloužit k detekci zánětů, poruch krevního oběhu či netěsností zdravotnického vybavení. Pohled na rozložení teploty na kůži nebo povrchu orgánu během zákroku představuje cennou informaci pro lékaře.
Pro běžné uživatele je nejlákavější vyhlídka na zabudování této funkce do mobilů, domácích bezpečnostních kamer či robotických vysavačů. Autoři studie zdůrazňují, že technologii lze vyrábět na stávajících výrobních linkách CMOS senzorů bez budování nových továren.
Pokud klesnou náklady, funkce „termální režim 4K" by se jednoho dne mohla objevit vedle „nočního" a „portrétního" režimu v aplikaci fotoaparátu.
Co to znamená pro běžného uživatele mobilu
Přístup k termovizi v kapse může změnit způsob, jakým se díváme na mnohé každodenní úkoly. Uživatelé bez odborných znalostí budou schopni rychle zjistit, kudy uniká teplo z bytu, zda topení funguje rovnoměrně, kde ve zdi vedou trubky, nebo jestli se nabíječka, prodlužovací kabel či baterie nebezpečně nepřehřívají.
Technologie s sebou nese i rizika. Vysoké rozlišení a citlivost umožňují například pozorovat lidi přes tenké záclony, odhadovat jejich přítomnost v bytě podle vyzařovaného tepla či sledovat stopu zanechanou zahřátými pneumatikami auta. To vyvolává otázky ohledně soukromí a potřeby jasných pravidel pro používání takových funkcí na veřejných místech.
Je třeba také pamatovat, že tepelný obraz vyžaduje správnou interpretaci. Teplotní rozdíl nemusí vždy znamenat problém a v některých situacích může chybná analýza vést ke zbytečnému poplachu. Výrobci softwaru budou muset přidat kvalitní algoritmy a srozumitelná upozornění, aby se uživatel nespoléhal pouze na barevné skvrny na obrazovce.
Z technického pohledu zůstává určitou výzvou trvanlivost svítících vrstev a kvantových teček při každodenním používání mobilu – při pádech, náhlých změnách teploty a intenzivním slunečním záření. To je fáze, kdy laboratorní prototypy musí prokázat svou odolnost v reálném životě, než se dostanou na masový trh.
