Telefony brzy možná uvidí víc než my samotní.
Inženýři právě vyvíjejí miniaturní termovizní kameru, která se vejde na běžný obrazový snímač.
Nejde o žádný marketingový trik – za tímto projektem stojí vážní vědci z Číny. Inspirací jim byl způsob, jakým noční hadi vnímají teplo kořisti, a pokusili se tento biologický mechanismus přenést přímo do spotřební elektroniky – od chytrých telefonů až po kamery v automobilech.
Jak had vidí teplo, nikoli jen obraz
Určité druhy hadů disponují zvláštním „tepelným smyslem". Mezi okem a nosní dírkou mají speciální jamku s tenkou membránou, která reaguje na infračervené záření vyzařované teplými objekty – například tělem zvířete nebo člověka.
Když infračervené vlny dopadnou na tuto membránu, drobné části jejího povrchu se jemně zahřejí. Vznikne nervový impulz, který mozek spojí s tím, co vidí oko. Výsledek? Zvíře získá jakousi „termální vrstvu" přes normální obraz, díky níž loví efektivně i v naprosté tmě – bez jakéhokoli přídavného světla.
Tento biologický trik uchvátil tým z Beijing Institute of Technology a Changchun Institute of Optics. Vědci se rozhodli sestrojit elektronický ekvivalent takového orgánu – ultratenký modul, který snímá teplo a okamžitě ho převádí na obraz zachytitelný běžnou kamerou.
Nový systém funguje jako digitální verze hadího smyslu: „naslouchá" tepelnému záření a ihned ho zobrazuje jako jasný, barevný obraz.
Od záření k obrazu 4K: co se skrývá uvnitř
Tradiční termovizní kamery jsou velké, drahé a vyžadují chlazení na velmi nízké teploty. To je hlavní důvod, proč míří především do armády, průmyslu a laboratoří, a nikoli do telefonu v kapse. Nová technologie se zaměřuje přesně na tento problém: má fungovat při pokojové teplotě, bez složitého chladicího systému.
Kvantové tečky – neviditelné pixely
Základem nového snímače jsou takzvané kvantové tečky z teluridu rtuťnatého (HgTe). Jsou to nanometricky malé polovodičové částice, které pohlcují infračervené záření o vlnové délce až přibližně 4,5 mikrometru. Jejich velikost lze přizpůsobit tak, aby se dosáhla citlivost na konkrétní rozsah infračerveného spektra.
Problém je v tom, že samotný materiál snímající infračervené záření nestačí. Vysoká teplota elektronických součástek generuje takzvané temné proudy – šum, který napodobuje skutečný signál. Je to trochu jako kdyby fotoaparát neustále pořizoval snímky a zaměňoval vlastní teplo za to, 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 samotného obvodu a zároveň propouští náboj generovaný skutečným infračerveným zářením přicházejícím z okolí.
Trik se svítící vrstvou: proud se mění ve světlo
Místo aby posílali čistý elektrický proud do klasického čtecího obvodu, vědci zašli ještě dál. Nad vrstvou kvantových teček umístili luminiscenční vrstvu. Když do ní přiteče elektrický signál vzniklý z infračerveného záření, tato vrstva vyzáří viditelné světlo – v experimentech šlo o stabilní zeleň generovanou iridiovými sloučeninami.
Infračervený snímač svítí přímo na matrici CMOS, takže k „vidění" tepla v kvalitě 4K stačí obyčejná kamera.
Celé zařízení je umístěno na standardním snímači CMOS, masově využívaném ve fotoaparátech a chytrých telefonech. To znamená, že elektronika stávajících zařízení nemusí procházet žádnými zásadními změnami – místo budování zcela nového typu kamery stačí přidat tenkou vrstvu převádějící infračervené záření na světlo.
- Rozlišení: 3840 × 2160 pixelů (4K)
- Rozsah: od blízké po střední infračervené záření (SWIR a MWIR)
- Účinnost konverze: více než 6 % foton–foton v blízké infračervené oblasti
- Bez nutnosti chlazení snímače
Vidění ve tmě, skrze kouř i skrze křemík
Při testech si nový snímač vedl v podmínkách, kdy klasická kamera prakticky „oslepne". Systém generoval zřetelné obrazy i při velmi slabém infračerveném záření srovnatelném s hvězdným svitem. Citlivost dosahovala signálů řádu 10⁻¹⁰ wattu na centimetr čtvereční.
V praxi to znamená, že takový modul dokáže zachytit teplotní rozdíly v naprosté tmě a také skrze materiály neprůhledné pro viditelné světlo – například silikonové destičky nebo určité chemické lahvičky. Pro klasickou kameru je to černý záběr, pro nový snímač podrobný tepelný obraz.
Důležitý je také takzvaný dynamický rozsah. Zařízení si poradí jak s velmi slabými, tak se silnými signály v jednom záběru. Pro blízké infračervené záření dosahuje přibližně 38 decibelů, pro střední pak 33 decibelů. Díky tomu jsou v jedné scéně vidět jak chladné pozadí, tak horké prvky – bez přeexponování nebo ztráty detailů.
Zorné pole snímače se rozšiřuje z typických 0,4–0,7 mikrometru na přibližně 0,4–4,5 mikrometru, tedy několikanásobně hlouběji do oblasti neviditelného infračerveného záření.
Kde tato kamera nejdříve najde uplatnění
Rozšíření citlivosti z viditelného spektra na širokou infračervenou oblast otevírá celou řadu dveří v profesionálních aplikacích. Vědci poukazují na několik oblastí, kde by technologie mohla proniknout jako první.
Průmysl, zemědělství a kontrola kvality
Ve výrobních závodech umožní kamera fungující jako termovize 4K vzdáleně odhalovat přehřáté součástky, netěsná potrubí, vady v izolaci nebo nebezpečně se zahřívající stroje. V mnoha odvětvích se taková měření provádějí dnes těžkými, drahými přístroji obsluhovanými specializovaným personálem.
V zemědělství pomáhá citlivé infračervené záření sledovat stav plodin. Rostliny trpící suchem nebo nemocí často mění způsob, jakým vyzařují teplo – ještě předtím, než je to viditelné pouhým okem. Termální analýza z dronu nebo vozidla může zemědělce upozornit na problém dříve, než dojde k poklesu úrody.
Podobně to funguje v logistice a potravinových obalech – kamera ověří, zda uvnitř nedochází k podezřelé kondenzaci vlhkosti, nerovnoměrnému rozložení teploty nebo nadměrnému zahřívání produktu.
Automobily, medicína a domácí gadgety
V automobilovém průmyslu by takový snímač mohl představovat další vrstvu „zraku" vozidla. Pomáhal by detekovat chodce, cyklisty nebo zvířata na silnici při husté mlze, silném dešti, v noci i při oslnění protijedoucími světlomety. Systémy asistence řidiče by získaly výrazně bohatší obraz situace.
V medicíně mohou miniaturní termální kamery ve vysokém rozlišení posloužit k odhalování zánětů, poruch krevního oběhu nebo netěsností v lékařském vybavení. Pohled na rozložení teploty na kůži nebo na povrchu orgánu během zákroku představuje pro lékaře cennou doplňkovou informaci.
Pro běžné uživatele je nicméně nejlákavější perspektiva zabudování této funkce do chytrého telefonu, domácích bezpečnostních kamer nebo robotických vysavačů. Autoři výzkumu zdůrazňují, že technologii lze vyrábět pomocí stávajících výrobních linek pro snímače CMOS, bez nutnosti budovat nové továrny.
Pokud náklady klesnou, funkce „termální režim 4K" se jednoho dne může objevit vedle „nočního" a „portrétního" režimu přímo v aplikaci fotoaparátu.
Co to znamená pro běžného uživatele telefonu
Přístup k termovizi v kapse může změnit způsob, jakým přistupujeme k mnoha každodenním úkolům. Uživatelé bez odborných znalostí budou schopni rychle zjistit, kudy uniká teplo z bytu, zda radiátor hřeje rovnoměrně, kde ve zdi vedou potrubí, a dokonce i to, zda se nabíječka, prodlužovací šňůra nebo baterie nebezpečně nepřehřívají.
Technologie s sebou ale přináší i rizika. Vysoké rozlišení a citlivost umožňují například sledovat lidi skrze tenké přepážky, odhadovat jejich přítomnost v bytě podle vyzařovaného tepla nebo stopovat cestu zanechanou rozehřátými pneumatikami automobilu. To vyvolává otázky ohledně soukromí a potřeby jasných pravidel pro používání takových funkcí na veřejných místech.
Je také třeba mít na paměti, že termální obraz vyžaduje správnou interpretaci. Teplotní rozdíl neznamená vždy problém a v některých situacích může chybná analýza vést k zbytečnému alarmu. Vývojáři softwaru budou muset doplnit kvalitní algoritmy a srozumitelné zprávy, aby se uživatel neopíral výhradně o barevné skvrny na displeji.
Z technického hlediska zůstává určitou výzvou odolnost svítících vrstev a kvantových teček při každodenním používání chytrého telefonu – při pádech, náhlých teplotních změnách a intenzivním slunečním záření. To je fáze, ve které musejí laboratorní prototypy prokázat svou spolehlivost v reálném provozu, než se dostanou na masový trh.
