Technologie, která zní jako z vědeckofantastického filmu, je už realitou. Vědci vyvinuli miniaturní termovizní systém v kvalitě 4K, který funguje bez masivních chladicích modulů a lze ho integrovat přímo do běžných fotoaparátů v mobilních telefonech.
Zatímco dosud patřilo infračervené vidění do arsenálu armády a specializovaných záchranářů, nová technologie může proměnit obyčejný smartphone v zařízení schopné vidět tepelné záření. Výzkumný tým z Beijing Institute of Technology a Changchun Institute of Optics se inspiroval právě přírodou – konkrétně schopností hadů lovit v naprosté tmě.
Vědci dokázali vytvořit ultratenkým vrstvový modul, který se pokládá přímo na klasický CMOS senzor známý z mobilních telefonů. Klíčová vlastnost? Funguje při pokojové teplotě a přesto zaznamenává infračervené záření v rozlišení 4K, což dosud vyžadovalo chlazení kapalným dusíkem a objemné pouzdro.
Jak had vidí v temnotě a co z toho mají inženýři
Některé druhy hadů loví v noci díky schopnosti registrovat tepelné záření, tedy infračervenou oblast spektra. Mezi okem a nozdrami mají jamku vyplněnou tenkou citlivou membránou. Když na ni dopadne záření emitované teplými objekty, část membrány se minimálně zahřeje a vyvolá nervové impulsy.
Mozek plaza spojuje tyto signály s tím, co vidí oči. Výsledek? Had získává tepelnou mapu okolí, kde se jasně odlišuje třeba tělo malé kořisti od chladnějšího pozadí. Tento dvoukanálový obraz umožňuje efektivně lovit i v naprosté tmě.
Čínští badatelé se rozhodli tento mechanismus zreplikovat v elektronické podobě. Cílem bylo vytvořit velmi tenký modul, který lze umístit přímo na klasický CMOS senzor. Takový umělý hadí orgán nepotřebuje chlazení a přesto zachycuje infračervené záření v rozlišení 3840 × 2160 pixelů.
Nanostruktury, kvantové tečky a zelené světlo
Tradiční termokamery obvykle využívají detektorů, které se silně zahřívají a produkují hodně elektronického šumu. Proto je třeba je chladit, což výrazně zvyšuje rozměry a cenu zařízení. Výzkumníci zvolili jinou cestu – ultratenkou vrstvovou strukturu postavenou z materiálů v nanometrové škále.
Srdcem nového senzoru jsou takzvané kvantové tečky z telurid rtuťnatého. Tyto nesmírně malé polovodičové částice mají citlivost na infračervené záření, kterou lze regulovat změnou velikosti. V tomto projektu byly nastaveny tak, aby zachycovaly záření do vlnové délky asi 4,5 mikrometru, což pokrývá důležité oblasti blízké a střední infračervené oblasti.
Největším problémem se ukázaly temné proudy, tedy šumy generované samotným zahřátým detekčním prvkem. Mohou potlačit skutečný signál. Vědci proto vložili mezi kvantové tečky a zbytek struktury bariéru z oxidu zinečnatého a speciálního polymeru P3HT. Tato vrstva blokuje falešné impulsy a propouští signál pocházející ze skutečného infračerveného záření.
Jedním z klíčových technických průlomů bylo dosažení stability při pokojové teplotě. Inženýři využili specifickou kombinaci materiálů:
- kvantové tečky z teluridu rtuťnatého pro zachycení infračerveného záření
- bariérová vrstva z oxidu zinečnatého pro potlačení šumu
- polymer P3HT zajišťující selektivní průchod signálu
- iridium pro emisi viditelného světla
- standardní CMOS senzor pro konečné zobrazení
- nanometrické vrstvy umožňující kompaktní konstrukci
Od neviditelného tepla k jasnému zelenému obrazu
Samotná registrace elektrického proudu nestačí k využití v kompaktních kamerách. Inženýři proto přidali další chytrý prvek – nad strukturu detektorů umístili vrstvu emitující světlo, založenou na sloučeninách iridia.
Když senzor zachytí infračervené záření a převede ho na elektrický signál, tato horní vrstva svítí stabilním zeleným světlem. Běžný CMOS senzor už toto světlo vidí bez problémů jako normální obraz ve viditelném spektru. Celý proces se nazývá převod foton na foton – neviditelné infračervené záření se mění na viditelný obraz.
V testech dosáhl modul účinnosti převodu přes šest procent v blízké infračervené oblasti, a to bez aktivního chlazení. Jak na tak kompaktní systém, jde o velmi vysoký výsledek. Výzkumníci z obou čínských institutů zdůrazňují, že tato hodnota znamená výrazný pokrok oproti dosavadním nechlazejícím senzorům.
4K v infračerveném záření na běžném CMOS senzoru
Celá vrstvená struktura byla aplikována na typickou CMOS matrici s rozlišením 3840 × 2160 pixelů. To znamená plné 4K, známé z televizorů či novějších mobilních telefonů. Dosud byla tak vysoká rozlišení v infračerveném zobrazování vyhrazena chlazeným a drahým specializovaným kamerám používaným především v armádě a průmyslu.
Nový senzor v testech zvládl několik klíčových výzev. Zaznamenával výrazné detaily i při velmi slabé úrovni infračerveného záření. Fungoval ve dvou pásmech – blízké a střední infračervené oblasti. Generoval obraz dostatečně jasný pro další zpracování a zobrazení, od přibližně 1311 do 6388 kandelů na metr čtvereční.
Zvláště zajímavá je extrémní citlivost. Systém reaguje na signály srovnatelné s jasností hvězd, řádově deset na mínus desátou wattů na centimetr čtvereční. To je úroveň, při které lidské oko nemá žádnou šanci a klasická viditelná kamera vidí většinou jen černou plochu.
Výzkumníci z Pekingu zdůrazňují, že zařízení udržuje dobrou dynamiku, tedy zvládá současně tmavé i velmi světlé části scény. Pro praktické použití v mobilních telefonech je klíčová také nízká spotřeba energie, protože modul nevyžaduje napájení chladicího systému.
Co to znamená pro běžného uživatele smartphonu
Nová technologie v praxi rozšiřuje vidění běžných senzorů z typického rozsahu 0,4 až 0,7 mikrometru až na přibližně 4,5 mikrometru. Jinými slovy, fotoaparát začíná zaznamenávat oblasti, které jsou normálně pro oko zcela nedostupné.
V každodenním životě by se taková funkce mohla hodit v mnoha situacích. Bezpečnost a záchranné služby mohou využít vyhledávání lidí v zakouřené místnosti, v noci nebo v mlze. Doma při rekonstrukci rychle zjistíš, kde z bytu uniká teplo nebo kde ve zdi vedou trubky.
V automobilovém průmyslu by asistent řidiče viděl chodce a zvířata za hranicí světla reflektorů. Zemědělci mohou hodnotit zavlažování a kondici plodin, viditelnou v jemných rozdílech teplotách. V medicíně a fitness umožní bezkontaktní měření teploty, sledování prokrvení nebo míst se zvýšenou teplotou.
Další možnosti využití zahrnují:
- detekci přehřívajících se elektrických zařízení v domácnosti
- kontrolu izolace oken a dveří
- sledování teploty domácích mazlíčků a dětí
- vyhledávání ztraceného telefonu podle tepelné stopy
- noční fotografii divoké zvěře bez rušivého světla
- diagnostiku mechanických součástí v automobilech
- monitorování teploty jídla při vaření
- identifikaci míst s plísní podle teplotních anomálií
Autoři zdůrazňují, že modul lze vyrábět ve fabrikách využívajících již linky na produkci klasických CMOS senzorů. Nejsou potřeba zcela nové a nákladné instalace, což okamžitě zvyšuje šance na masovou výrobu. Z technického gadgetu pro armádu se tak může infračervené vidění stát další běžnou funkcí v menu fotoaparátu – vedle nočního nebo portrétního režimu.
Cesta z laboratoře do kapsy
Neznamená to, že každý nový model telefonu bude mít za chvíli pravou termokameru. Objevuje se spousta otázek – jak se vypořádat se spotřebou energie, zda se výrobcům vyplatí přidání dalšího modulu, jak klasifikovat taková zařízení v kontextu regulací týkajících se pozorovacího vybavení.
Zároveň je argumentů pro mnoho. Modul nevyžaduje aktivní chlazení, takže ho snáze umístíš do tenkého pouzdra. Není třeba přeprojektovávat celé továrny. Samotná funkce se může stát prvkem strategie odlišení – stejně jako kdysi noční režim nebo optická stabilizace obrazu.
Vědci upozorňují také na otázky soukromí. Když skutečná termovize dorazí do kapesních zařízení, objeví se témata, o kterých se dnes málokdy přemýšlí. Telefon umožňující nahlédnout za tenkou stěnu nebo skrz část materiálů může budit obavy o ochranu osobních údajů. I když technologie v praxi ukáže spíš rozložení tepla než ostré tvary, otázky ohledně regulací se objeví velmi rychle.
Druhá věc je interpretace takových obrazů. Barevná mapa teplot vypadá efektně, ale snadno se můžeš dopustit chybných závěrů – třeba při hodnocení zdravotního stavu nebo požárního rizika. Dá se očekávat vlna aplikací, které budou aplikovat filtry, navrhovat výklad nebo spojovat tepelná data s informacemi z dalších čidel, jako je lidar nebo radar v automobilech.
Pokud výrobci smartphonů sáhnou po této technologii, dostaneš do ruky nástroj, který spojuje funkce kamery, skeneru a jednoduchého analyzátoru stavu okolí. Propojení dat z infračervené oblasti s algoritmy umělé inteligence může dát například aplikace diagnostikující přehřívající se přístroje, hodnotící podmínky spánku dětí nebo podporující slabozraké osoby, které varuje před přítomností lidí a překážek. Máš tak k dispozici technologii, která ještě nedávno patřila výhradně do rukou specialistů a armády.
