Tým vědců vyvinul infračervený senzor inspirovaný způsobem, jakým hadi vnímají teplo své kořisti. Zařízení pracuje v rozlišení 4K, nepotřebuje komplikované chlazení a může se brzy objevit i v běžných mobilních telefonech.
Technologie se vydala neobvyklou cestou – namísto klasického přístupu k infračervenému snímání použili výzkumníci principy přímo z přírody. Výsledkem je miniaturní senzor, který vidí tepelné záření stejně přirozeně, jako ty nejlepší noční lovci v živočišné říši.
Vědci z Beijing Institute of Technology a Changchun Institute of Optics vytvořili prototyp, který kombinuje kvantové tečky z telurid rtuťnatého s fosforescentními sloučeninami iridia. Celá konstrukce je kompatibilní se standardními výrobními linkami pro CMOS čipy, což otevírá dveře k masové produkci. Tato technologie může výrazně rozšířit možnosti každodenní elektroniky – od diagnostiky budov až po noční navigaci.
Některé druhy hadů loví v naprosté tmě díky speciálnímu smyslu: zachycují tepelné záření své kořisti. Mezi okem a nozdrami mají jamky s tenkou membránou, která reaguje na minimální teplotní rozdíly. Když na tuto membránu dopadá infračervené záření, její části se lehce zahřívají. Tepelná reakcja se mění v nervový signál a v mozku vzniká jakýsi teplotní obraz, který se prolíná s běžným viděním.
Jak přírodní vzor pomohl sestrojit elektronický senzor
Výzkumný tým přenesl tento mechanismus do světa elektroniky. Místo biologické membrány použili vrstvu polovodičových materiálů, které zachycují infračervené záření a převádějí ho nejprve na elektrický a posléze na světelný signál. Celá architektura zařízení vznikla podle zásady co nejvěrněji napodobit funkci smyslového orgánu, ale v materiálech kompatibilních se současnými CMOS maticemi.
Nový senzor funguje jako digitální verze hadí termální jamky – pasivně zachytává teplo a vytváří detailní obraz teplot v okolí. Důležité je, že na rozdíl od tradičních termokamer nepotřebuje chlazení na velmi nízké teploty. Tento posun znamená dramatické zmenšení velikosti i ceny celého zařízení.
Klíčem k funkčnosti jsou vrstvy o tloušťce v řádu nanometrů. Základní prvek tvoří kvantové tečky z teluridu rtuťnatého. Jde o mikroskopické částice, jejichž velikost lze precizně regulovat, a s ní i rozsah zaznamenávaných vlnových délek. V tomto případě zachycují záření do přibližně 4,5 mikrometru, což je typická oblast, ve které vyzařuje teplo lidské tělo nebo motor automobilu.
Proč tradiční termokamery potřebovaly chlazení a nová technologie ne
Samotné zachycení infračerveného záření je jen polovina úspěchu. Kritický problém klasických termálních kamer jsou takzvané temné proudy – šum pocházející z vlastního zahřívání senzoru. Dříve se s tím bojovalo chlazením celých obvodů na extrémně nízké teploty, což vyžadovalo velká, drahá a citlivá zařízení. Výzkumníci zvolili jiný přístup.
Mezi kvantové tečky a zbytek obvodu vložili bariéru z oxidu zinečnatého a speciálního polymeru P3HT. Taková vrstva blokuje signály vznikající náhodným zahříváním elektroniky, ale propouští ty, které vyvolává skutečné infračervené záření z okolí. Díky tomu senzor funguje spolehlivě i při běžné pokojové teplotě.
Další trik je ještě zajímavější. Namísto přímého posílání elektrického signálu do zpracovávací elektroniky umístili vědci nad senzorem vrstvu, která vydává světlo. Obsahuje fosforescenční sloučeniny s iridiem, jež přeměňují proud ve stabilní zelené světlo. Právě tento světelný obraz zaznamenává standardní CMOS matice, stejně jako v běžné kameře.
Celý systém funguje jako překladač: neviditelné infračervené záření se nejprve stává proudem a následně obyčejným světlem, které dokonale snímá tradiční fotoaparát. Tato architektura umožňuje využít existující výrobní technologie a zároveň dosáhnout parametrů, které dříve vyžadovaly speciální chlazené detektory.
- Kvantové tečky z teluridu rtuťnatého zachycují infračervené záření do 4,5 mikrometru
- Bariéra z oxidu zinečnatého a polymeru P3HT eliminuje temné proudy
- Fosforescenční vrstva s iridiem převádí elektrický signál na zelené světlo
- Standardní CMOS matice snímá výsledný světelný obraz v rozlišení 4K
- Celá konstrukcja pracuje při pokojové teplotě bez nutnosti chlazení
- Tloušťka aktivních vrstev se měří v nanometrech
Jaké parametry dosahuje senzor v rozlišení 4K
Vědcům se podařilo dosáhnout účinnosti konverze foton na foton přes 6 procent v blízké infračervené oblasti při zachování provozu v pokojové teplotě. V tomto segmentu jde o velmi solidní výsledek vzhledem k absenci chlazení a miniaturním rozměrům konstrukce.
Celý systém integrovali s klasickým CMOS senzorem v rozlišení 4K, tedy 3840 × 2160 pixelů. V termálním snímání představuje toto rozlišení skutečný kvalitativní skok. Dosud byla vysoká rozlišení doménou drahých systémů s chlazenými detektory.
Při testech nový senzor zaznamenával čitelné obrazy i při velmi slabém infračerveném signálu. Badatelé měřili jak rozsah 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 plochu.
Důležitý 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 schopnosti současně zachytit velmi horké prvky, například motor, a výrazně chladnější pozadí nebo siluety lidí, bez přepálení a zalití obrazu bílou.
Nový senzor dokáže detekovat signály tak slabé jako 10⁻¹⁰ wattů na centimetr čtvereční – 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 cokoli registrovat.
Kde všude může tato technologie najít uplatnění
Rozšíření rozsahu vnímání senzoru 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.
Už na startu se rysuje několik oblastí, kde taková řešení mohou vstoupit do každodenního používání. Průmysl a infrastruktura budou těžit z kontroly přehřívajících se komponent a detekce netěsností bez nutnosti rozebrání zařízení. Zemědělství získá nástroj pro hodnocení stavu rostlin, vodního stresu a nemocí na základě jemných teplotních rozdílů listů.
V bezpečnosti potravin pomůže monitoring teplot a vlhkosti v obalech, skladech a chladicích řetězcích. Doprava a autonomní automobily využijí detekci chodců, zvířat a překážek při nulové viditelnosti na silnici. Medicína může pozorovat zánětlivé stavy, poruchy krevního oběhu nebo procesy hojení v reálném čase pomocí miniaturních kamer.
- Diagnostika přehřátých součástek v průmyslových zařízeních
- Monitorování zdraví plodin a detekce chorob v zemědělství
- Kontrola teplotních řetězců ve skladu a distribuci potravin
- Noční vidění pro autonomní vozidla a dopravní systémy
- Lékařská diagnostika zánětů a poruch prokrvení
- Vyhledávání osob v kouři při záchranných akcích
- Bezpečnostní systémy fungující v úplné tmě
- Inspekce budov a detekce úniků tepla
S časem, když klesne cena výroby, může stejná technologie proniknout do masových zařízení: smartphonů, přenosných sportovních kamer, dronů a dokonce chytrých domácích spotřebičů. Co dnes zvládají drahé průmyslové kamery, zítra může udělat běžný telefon – a to v kvalitě 4K, bez stativů, těžkých obalů a chladicích soustav.
Jak bude termokamera ve smartphonu měnit každodenní použití
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 na vestavění infračervených vrstev přímo do budoucích generací smartphonových fotoaparátů.
Možné scénáře využití v telefonech jsou velmi široké. Noční fotografie a videa získají zcela novou dimenzi – telefon uvidí světlo i tam, kde ty nemáš šanci rozeznat obrysy. Diagnostika domácích spotřebičů odhalí místa, kde uniká teplo, přehřívá se lednice nebo špatně funguje topení. Bezpečnostní aplikace rozpoznají osoby a zvířata v naprosté tmě nebo za hustou mlhou.
Asistované řízení v autech může využít data z telefonu upevněného na palubní desce k varování před chodci nebo cyklisty v noci. Zdravotní monitoring zachytí zánětlivé oblasti kůže, změny teploty signalizující nemoc nebo problémy s prokrvením ještě dříve, než se objeví viditelné příznaky. Outdoor nadšenci ocení navigaci v horách, kde mlha nebo tma znemožňují běžnou orientaci.
Jaké otázky přináší rozšířená termovize v kapse
Nový druh vidění v telefonu není jen otázkou pohodlí. Objevují se také důležité otázky. Kamera, která vidí teplo skrz některé materiály, může narušit soukromí, pokud se dostane do rukou lidí se špatnými úmysly. Právní předpisy budou muset určit, jak smí uživatelé s takovými daty nakládat, v jakém rozlišení a v jakých situacích.
Přidává se otázka zdraví. Senzor sám pracuje pasivně – nevysílá silné záření, pouze ho přijímá. Případným problémem může být spíše množství další elektroniky nacpané do těsného pouzdra telefonu a z toho plynoucí zahřívání. Zde mají výrobci zodpovědnost rozumně vyřešit odvod tepla a spotřebu energie.
Pro tebe jako uživatele může být podstatné i to, jak systémy umělé inteligence propojí data z klasické kamery a termálního senzoru. Telefon bude moci automaticky rozpoznávat například osoby v kouři nebo za špatně osvětleným sklem, označovat nebezpečně horké předměty nebo napovídat záchranářům, kde v budově hledat lidi. Představ si aplikaci, která varuje před dotýkáním se rozžhavené plotny, nebo tu, která ukáže na mapě, kam v domě proniká nejvíc chladu.
Pokud taková řešení vstoupí do masové výroby, fotoaparát v telefonu přestane být výhradně nástrojem na focení pro sociální sítě. Získá zcela novou funkci – stane se přenosným smyslem, který kombinuje lidské vidění s hadím vnímáním tepla, a může výrazně změnit způsob, jakým denně používáš elektroniku. Technologie inspirovaná přírodou tak možná brzy změní kapesní zařízení v nástroj, který vidí svět úplně jinak než ty.
