Inženýři postavili miniaturní termokameru, která se vejde na běžný senzor smartfonu. Inspiraci hledali u hadů, kteří loví v noci podle tepelného záření kořisti.
Projekt není marketingovým tahem, ale výsledkem práce vědců z Číny. Badatelé se pokusili přenést biologický mechanismus zaznamenávání tepla přímo do běžné elektroniky – od mobilních telefonů až po kamery v autech.
Některé druhy hadů mají navíc ke klasickému zraku ještě „tepelný smysl“. Mezi okem a nosní dírkou se u nich nachází specializovaná jamka s tenkou blankou, která reaguje na infračervené záření vysílané teplými objekty, například tělem zvířete nebo člověka. Když infračervené vlny dopadnou na tuto blánu, její části se jemně ohřejí. Vzniká nervový impuls, který mozek spojí s tím, co vidí oko. Výsledek? Zvíře dostává něco jako „tepelnou vrstvu“ přes normální obraz, takže úspěšně loví i v naprosté tmě, bez jakéhokoli světla.
Tato biologická finesa zaujala tým z Beijing Institute of Technology a Changchun Institute of Optics. Výzkumníci se rozhodli postavit elektronický protějšek takového orgánu – ultra tenký modul, který snímá teplo a okamžitě ho převádí na obraz viditelný pro běžnou kameru. Nový systém funguje jako digitální verze hadího smyslu: „poslouchá“ tepelné záření a rovnou ho zobrazuje ve formě jasného, barevného obrazu.
Jak funguje převod infračerveného záření na obraz v rozlišení 4K
Tradiční termokamery jsou velké, drahé a vyžadují chlazení na velmi nízké teploty. To je hlavní důvod, proč končí hlavně ve vojenství, průmyslu a laboratořích, nikoli v telefonu v kapse. Nová technologie míří přesně na tento problém: má fungovat při pokojové teplotě, bez složitého chladiče.
Základem nového senzoru jsou takzvané kvantové tečky z teluríku rtuťnatého (HgTe). Jde o drobné, nanometrové polovodičové částice, které pohlcují infračervené záření o vlnové délce až kolem čtyř a půl mikrometru. Jejich velikost lze volit tak, aby citlivost odpovídala konkrétnímu rozsahu infračerveného spektra.
Problém je v tom, že samotný materiál vnímající infračervené záření nestačí. Vysoká teplota elektronických součástek vytváří takzvané temné proudy – šum, který napodobuje skutečný signál. Je to trochu jako kdyby foťák zkoušel pořád fotit a pletl si vlastní teplo s tím, co se děje před objektivem. Proto vědci zavedli velmi tenkou izolační vrstvu z oxidu zinečnatého a speciálního polymeru P3HT. Tato bariéra blokuje falešné tepelné signály z vlastního obvodu, ale současně propouští náboj generovaný skutečným infračerveným zářením přicházejícím z okolí.
Vrstva, která mění elektrický proud na viditelné světlo
Místo odeslání čistého elektrického proudu do klasického snímacího obvodu badatelé udělali krok dál. Nad vrstvu kvantových teček umístili vrstvu, která svítí. Když přiteče elektrický signál vzniklý z infračerveného záření, tato vrstva emituje viditelné světlo – v experimentech to byla stabilní zelená barva generovaná sloučeninami iridia.
Senzor infračerveného záření svítí přímo na matici CMOS, takže stačí běžná kamera, aby „viděla“ teplo v kvalitě 4K. Celý systém umístili na standardní senzor CMOS, který se masově používá ve fotoaparátech a smartphonech. To znamená, že elektronika zařízení se nemusí měnit – namísto stavby úplně nového typu kamery lze přidat tenkou vrstvu převádějící infračervené záření na světlo.
Výzkumníci dosáhli rozlišení 3840 × 2160 pixelů, což odpovídá 4K. Rozsah pokrývá blízkou až střední infračervenou oblast (SWIR a MWIR). Účinnost přeměny dosahuje přes šest procent foton–foton v blízké infračervené oblasti. Senzor nepotřebuje chlazení, což dramaticky snižuje náročnost celého systému.
- Rozlišení 3840 × 2160 pixelů odpovídá 4K standardu
- Rozsah od blízké po střední infračervenou oblast
- Účinnost konverze přes šest procent foton–foton
- Funguje při pokojové teplotě bez chladiče
- Kompatibilní se standardními CMOS maticemi
- Využívá kvantové tečky z teluríku rtuťnatého
- Izolační vrstva z oxidu zinečnatého blokuje šum
- Svítící vrstva se sloučeninami iridia vytváří viditelný obraz
Vidění ve tmě, přes kouř a skrz křemík
Při testech si nový senzor poradil v podmínkách, ve kterých klasická kamera prakticky „oslepne“. Systém generoval zřetelné snímky i při velmi slabém infračerveném záření, srovnatelném se září hvězd. Citlivost dosahovala signálů řádu 10⁻¹⁰ wattu na centimetr čtvereční.
V praxi to znamená, že takový modul dokáže zaznamenat rozdíly teplot v naprosté tmě a také přes materiály neprůhledné pro viditelné světlo, jako jsou křemíkové destičky nebo některé chemické lahvičky. Pro klasickou kameru je to černý záběr, pro nový senzor detailní termický obraz.
Důležitý je také takzvaný dynamický rozsah. Zařízení si dobře poradí jak s velmi slabými, tak se silnými signály v jednom záběru. Pro blízkou infračervenou oblast dosahuje asi třicet osm decibelů, pro střední třicet tři decibelů. Díky tomu lze v jedné scéně vidět chladné pozadí i horké prvky, bez přepálení nebo ztráty detailů. Rozsah vidění senzoru se rozšiřuje z typických 0,4 až 0,7 mikrometru na přibližně 0,4 až 4,5 mikrometru, tedy několikanásobně dál směrem k neviditelné infračervené oblasti.
Kde se může taková kamera objevit jako první
Rozšíření citlivosti z viditelného spektra na širokou infračervenou oblast otevírá řadu možností v profesionálních aplikacích. Vědci poukazují na několik oblastí, kde by technologie mohla vstoupit jako první.
V továrnách umožní kamera fungující jako termovize v rozlišení 4K z dálky zaznamenat přehřáté komponenty, netěsné trubky, vady v izolaci nebo nebezpečně se zahřívající stroje. V mnoha odvětvích se dnes takové kontroly provádějí těžkými, drahými kamerami, které obsluhuje specializovaný personál. V zemědělství pomáhá citlivá infračervená oblast sledovat stav plodin. Rostliny ve vodním stresu nebo nemocné často mění způsob, jakým odevzdávají teplo, ještě předtím, než je to vidět pouhým okem. Tepelná analýza z dronu nebo z vozidla může zemědělce upozornit na problém dříve, než klesne úroda.
Podobně v logistice a balení potravin – kamera zkontroluje, zda uvnitř nedochází k podezřelé kondenzaci páry, nesprávnému rozložení teploty nebo nadměrnému zahřívání produktu. V automobilovém průmyslu by takový senzor mohl být další vrstvou „vidění“ auta. Pomohl by detekovat chodce, cyklisty nebo zvířata na silnici při husté mlze, silném dešti, v noci a při oslňujících světlech protijedoucích vozidel. Asistenční systémy by dostaly výrazně bohatší obraz situace.
V medicíně mohou miniaturní termokamery ve vysokém rozlišení sloužit k detekci zánětlivých stavů, poruch krevního oběhu nebo netěsností ve zdravotnickém vybavení. Pohled na rozložení teploty na kůži nebo na povrchu orgánu během zákroku poskytuje lékaři dodatečnou informaci. Pro běžné uživatele je však nejlákavější vyhlídka zabudování takové funkce do smartphonu, domácích monitorovacích kamer nebo robotických vysavačů. Autoři studie zdůrazňují, že technologii lze vyrábět pomocí stávajících linek produkujících CMOS senzory, bez stavby nových továren.
Co to znamená pro běžného majitele telefonu
Přístup k termovizi v kapse může změnit způsob, jakým řešíš mnoho každodenních úkolů. Uživatelé bez odborných znalostí budou schopni rychle zkontrolovat, kudy uniká teplo z bytu, zda radiátor funguje rovnoměrně, kde ve stěně vedou trubky, a dokonce jestli nabíječka, prodlužovací kabel nebo baterie nebezpečně nepřehřívají.
Technologie s sebou nese i rizika. Vysoké rozlišení a citlivost umožňují například pozorovat lidi přes tenké přepážky, odhadovat jejich přítomnost v bytě podle emise tepla nebo sledovat stopu zanechanou rozehřátými pneumatikami auta. To vyvolává otázky kolem soukromí a nutnosti jasných regulací ohledně používání takových funkcí na veřejných místech.
Stojí také za zmínku, že tepelný obraz vyžaduje správnou interpretaci. Rozdíl teplot ne vždy znamená problém a v některých situacích může chybná analýza vést k zbytečnému poplachu. Výrobci softwaru budou muset přidat kvalitní algoritmy a srozumitelné zprávy, aby uživatel nespoléhal výhradně na barevné skvrny na obrazovce.
Z technického hlediska zůstává určitou výzvou trvanlivost svítících vrstev a kvantových teček při běžném používání smartphonu – při pádech, náhlých změnách teploty a intenzivním slunečním světle. Je to fáze, ve které musí prototypy z laboratoří prokázat odolnost v reálném životě, než zamíří na masový trh. Pokud se náklady sníží, funkce „termický režim 4K“ se možná jednoho dne objeví vedle „nočního“ a „portrétního“ v aplikaci fotoaparátu.
