Vědci vyvinuli infračervený senzor, který funguje podobně jako teplotní orgán hada. Zařízení pracuje v rozlišení 4K, nepotřebuje složité chlazení a může se dostat do běžně vyráběných fotoaparátů i do mobilních telefonů.
Když něco revolučního přichází z přírody, často to znamená obrovský technologický skok. Právě tak je to s novým typem infračerveného senzoru, který dokáže „vidět“ teplo podobně jako některé druhy hadů.
Výzkumný tým z Beijing Institute of Technology a Changchun Institute of Optics vytvořil zařízení, které funguje při běžné teplotě, nepotřebuje nákladné chladicí systémy a přesto dosahuje rozlišení 4K. Odborníci poukazují na to, že taková kombinace parametrů byla dosud prakticky nedostupná mimo speciální průmyslové aplikace.
Zajímavé je, že inspirace přišla přímo z biologie. Výzkumníci studovali způsob, jakým některé hadi loví v noci – díky speciálním orgánům dokážou vnímat nepatrné rozdíly v teplotě potenciální kořisti. Tento princip se podařilo převést do polovodičové technologie, která je kompatibilní se standardními CMOS maticemi používanými v dnešních fotoaparátech a smartphonech.
Jak had vidí teplo a proč vědci kopírují jeho anatomii
Některé druhy hadů, zejména zmije a krajty, loví za naprosté tmy pomocí dodatečného smyslu. Mezi okem a nosními dírkami mají jamky s tenkou membránou, která reaguje na minimální teplotní rozdíly v okolí.
Když na tuto membránu dopadá infračervené záření, jednotlivé části se lehce zahřívají. Tepelná reakce se přemění na nervový impuls, který mozek hada zpracuje do podoby „teplotní mapy“. Tu pak zvíře spojuje s klasickým viděním – současně tak vnímá tvary i rozložení teplot.
Vědci z čínských institucí tento mechanismus převedli do elektroniky. Místo biologické membrány použili vrstvu polovodičových materiálů, které zachycují infračervené záření a mění ho nejprve na elektrický signál, pak na světelný. Celá architektura zařízení vznikla podle zásady co nejvěrněji napodobit funkci smyslového orgánu, ale s materiály kompatibilními s moderními CMOS maticemi.
Pasivní zachycování tepla bez potřeby dodatečného osvětlení nebo chlazení je klíčová vlastnost, která odlišuje tento senzor od tradičních termokamer. Zařízení funguje jako digitální verze hadí „teplotní jamky“ – potichu snímá okolní teplo a vytváří z něj ostrý obraz teplotního rozložení.
Kvantové tečky a nanometrové vrstvy jako základ nové technologie
Zásadním prvkem nové technologie jsou vrstvy o tloušťce měřené v nanometrech. Hlavní komponentu tvoří takzvané kvantové tečky z telurídu rtuťnatého (HgTe). Jde o mikroskopické částice, jejichž velikost lze přesně regulovat, a s ní i rozsah zachycovaných vlnových délek.
V tomto případě se jedná o záření do přibližně 4,5 mikrometru, což je typická oblast, ve které „svítí“ teplé lidské tělo nebo motor automobilu. Samotné zachycení infračerveného záření je jen polovina úspěchu – kritickým problémem tradičních termokamer jsou takzvané temné proudy, tedy šum pocházející z nahřívání samotného senzoru.
V minulosti se tento problém řešil chlazením celého systému na velmi nízké teploty, což vedlo k velkým, nákladným a citlivým zařízením. Výzkumníci zvolili jinou cestu – mezi kvantové tečky a zbytek obvodu vložili bariéru z oxidu zinečnatého a speciálního polymeru P3HT.
Tento „filtr“ blokuje signály vzniklé náhodným zahříváním elektroniky, ale propouští ty, které budí skutečné infračervené záření z okolí. Další trik je ještě zajímavější – místo aby se elektrický signál hned posílal do elektroniky zpracovávající obraz, nad senzorem je umístěna světélkující vrstva.
Obsahuje fosforescenční sloučeniny s irídiem, které přeměňují proud na stabilní zelené světlo. Právě tento světelný obraz pak zachycuje standardní CMOS matice, stejně jako v běžné kameře. Systém funguje jako „překladač“ – neviditelná infračervená oblast se nejprve stává proudem a následně běžným světlem, které dokonale vidí tradiční fotoaparát.
- Kvantové tečky z telurídu rtuťnatého zachycují záření do 4,5 mikrometru
- Bariéra z oxidu zinečnatého blokuje parazitní šum z nahřáté elektroniky
- Polymer P3HT funguje jako selektivní filtr pouze pro skutečné infračervené signály
- Fosforescenční vrstva s irídiem převádí proud na zelené světlo
- Standardní CMOS matice snímá tento světelný obraz v rozlišení 4K
- Celá konstrukce je kompatibilní s běžnými výrobními linkami
Proč dosažení 6 procent účinnosti bez chlazení znamená revoluci
Tvůrcům se podařilo dosáhnout účinnosti konverze foton na foton přes 6 procent v blízké infračervené oblasti, a to při práci v běžné pokojové teplotě. V tomto segmentu jde o velmi solidní výsledek, když vezmeme v úvahu absenci chlazení a miniaturní rozměry konstrukce.
Celý systém byl integrován s klasickým CMOS senzorem v rozlišení 4K, tedy 3840 × 2160 pixelů. V teplotním zobrazování to představuje kvalitativní skok – dosud bylo vysoké rozlišení doménou nákladných systémů s chlazenými detektory.
Při testech nový senzor zaznamenával čitelné obrazy i při velmi slabém infračerveném signálu. Výzkumníci měřili jak oblast blízké infračervené oblasti (SWIR), tak střední (MWIR). Jas obrazu dosahoval přibližně 6388 cd/m² pro SWIR a 1311 cd/m² pro MWIR, což znamená, že kamera zvládá náročné scény, ve kterých tradiční čidla „vidí“ pouze černou.
Podstatný je také dynamický rozsah – rozdíl mezi nejtmavším a nejsvětlejším bodem, který lze zaznamenat bez ztráty detailů. Pro SWIR dosáhl 38 dB a pro MWIR 33 dB. To se promítá do možnosti současně zachytit velmi horké prvky, například motor, a výrazně chladnější pozadí či siluety lidí, bez přepálení a „zahlcení“ obrazu bílou barvou.
Nový senzor dokáže detekovat signály tak slabé jako 10⁻¹⁰ wattu na čtvereční centimetr – jde o intenzitu srovnatelnou s jasností hvězd pozorovaných ze Země. Tak vysoká citlivost otevírá cestu k aplikacím v téměř úplné tmě a všude tam, kde lidské oko přestává cokoliv registrovat.
Kde všude může tato technologie změnit praxi
Rozšíření rozsahu „viditelného“ senzorem z typických 0,4 až 0,7 mikrometru na přibližně 4,5 mikrometru radikálně mění možnosti kamer. Začínají úspěšně fungovat v situacích, které jsou problematické pro běžnou optiku – v mlze, v kouři, v naprosté tmě nebo při silných odlescích světla na kovových a skleněných površích.
Odborníci vidí hned několik oblastí, kde taková řešení mohou vstoupit do každodenního používání. Průmysl a infrastruktura využijí kontrolu přehřívajících se komponent, detekci netěsností a tepelných poškození bez nutnosti rozebrání zařízení.
V zemědělství půjde o hodnocení stavu rostlin, vodního stresu a nemocí na základě jemných teplotních rozdílů listů. Bezpečnost potravin získá možnost monitorování teplot a vlhkosti v obalech, skladech a chladicích řetězcích.
- Průmyslová diagnostika přehřátých ložisek, motorů a elektrických rozvodů
- Zemědělské sledování zdraví pšenice, kukuřice a dalších plodin přes teplotu listů
- Kontrola chladicích boxů s masem, mléčnými výrobky a zeleninou
- Autonomní vozidla detekující chodce a zvířata při nulové viditelnosti
- Lékařské pozorování zánětu, poruch prokrvení a hojení ran v reálném čase
- Hasičské vyhledávání osob v zadýmených budovách
- Energetická kontrola tepelných ztrát budov a úniku tepla z oken
Transport a autonomní automobily mohou využít detekci chodců, zvířat a překážek při nulové viditelnosti na silnici. Medicína získá nástroj pro sledování zánětů, poruch oběhu nebo procesů hojení v reálném čase s použitím miniaturních kamer.
Časem, když náklady na výrobu klesnou, stejná technologie může proniknout do masových zařízení – smartphonů, přenosných sportovních kamer, dronů a dokonce i chytrých domácích spotřebičů. To, co dnes dělají drahé průmyslové kamery, zítra může zvládnout běžný telefon – a to v kvalitě 4K, bez stativů, těžkých obudov a chladicích sestav.
Smartphone jako kapesní termokamera a co to znamená pro běžného člověka
Tvůrci senzoru zdůrazňují, že jejich konstrukce spolupracuje s existujícími výrobními linkami pro CMOS matice. Není potřeba stavět nové továrny ani vytvářet samostatné moduly. V praxi to znamená šanci zabudovat infračervené vrstvy přímo do budoucích generací smartphonových fotoaparátů.
Možné scénáře použití v telefonech jsou velmi široké. Noční fotografování bez blesku či přísvitu by fungovalo díky kombinaci klasického obrazu a teplotní mapy – telefon vytvoří ostrou barevnou fotografii i v naprosté tmě. Hledání ztracených předmětů v bytě by šlo lépe, protože mobilní telefon uvidí teplý notebook, nabíječku nebo domácího mazlíčka skrytého za gauči.
Diagnostika domácích spotřebičů nabídne kontrolu přehřívání lednice, pračky, varné konvice nebo nabíječky ještě před jejich selháním. Záchranné akce získají pomocníka – hasiči a záchranáři budou moci pomocí běžného telefonu najít osoby v sutinách, kouři nebo tmě.
Bezpečnost na silnici se zlepší díky varování řidiče před živými bytostmi na vozovce, které nejsou vidět klasickým světlem. Kontrola izolace domu odhalí úniky tepla kolem oken, dveří a střechy během chvíle, bez nutnosti najímat odborníka s termokamerou.
Otázky soukromí, regulací a bezpečnosti nové technologie
Nový druh „zraku“ v kapse přináší nejen pohodlí, ale také otázky. Kamera, která vidí teplo částečně skrz některé materiály, může narušovat soukromí, pokud se dostane do rukou osob se špatnými úmysly. Právní úprava bude muset určit, jak lze takovými daty disponovat, v jakém rozlišení a v jakých situacích.
Přistupuje k tomu otázka zdraví. Samotný senzor pracuje pasivně – nevysílá silné záření, pouze ho přijímá. Potenciálním problémem může být spíše množství dodatečné elektroniky nacpané do těsného pouzdra telefonu a z toho plynoucí zahřívání. Zde je na výrobcích, aby rozumně vyřešili odvod tepla a spotřebu energie.
Pro uživatele může být také podstatné, jak systémy umělé inteligence spojí data z klasické kamery a teplotního senzoru. Telefon bude moci automaticky rozpoznávat například osoby v kouři nebo za slabě osvětlenou výlohou, označovat nebezpečně horké předměty nebo našeptávat záchranářům, kde v budově hledat lidi.
Pokud taková řešení vstoupí do masové výroby, fotoaparát v telefonu přestane být výhradně nástrojem pro focení na sociální sítě. Získá zcela novou funkci – stane se přenosným smyslem, který spojuje lidské vidění s „hadím“ vnímáním tepla, a může výrazně změnit způsob, jakým každý den využíváme elektroniku. Nebude vás zajímat, co váš příští telefon uvidí?
