Telefony z „oczami węża”: nadchodzi prawdziwe termowizja 4K w kieszeni

Wyobraź sobie telefon, który widzi ciepło – tak jak drapieżny wąż polujący w nocy. Chińscy naukowcy z Pekińskiego Instytutu Technologii i Instytutu Optyki w Changchun właśnie przenieśli ten biologiczny mechanizm do świata elektroniki. Stworzyli miniaturowy sensor, który potrafi zamienić niewidzialne promieniowanie podczerwone w wyraźny obraz 4K, i to bez systemu chłodzenia. To może być początek końca dla drogich, profesjonalnych kamer termowizyjnych.

Nowy typ miniaturowego sensora podpatruje naturę i daje aparatom zdolność widzenia ciepła niczym drapieżny gad w nocy.

Technologia, nad którą pracują naukowcy z Chin, może w kilka lat zmienić zwykłe smartfony w urządzenia z wbudowaną kamerą termowizyjną 4K, działającą bez hałaśliwego chłodzenia czy wielkich obudów znanych z profesjonalnych kamer.

Jak wąż widzi w ciemności i co z tego mają inżynierowie

Niektóre gatunki węży potrafią polować w kompletnej ciemności, bo rejestrują ciepło wydzielane przez ofiarę. Między okiem a nozdrzem mają wyspecjalizowane dołki, które reagują na promieniowanie podczerwone, czyli po prostu na różnice temperatur.

W tych dołkach znajduje się cienka błona, bardzo wrażliwa na ogrzanie. Gdy trafia na nią fala cieplna, wybrane fragmenty membrany nagrzewają się odrobinę mocniej, co uruchamia impulsy nerwowe. Mózg łączy tę „mapę ciepła” z normalnym obrazem z oczu i powstaje coś w rodzaju podwójnej wizji – klasyczna scena plus nałożony kontur cieplejszych obiektów.

Zespół badaczy z Beijing Institute of Technology i Changchun Institute of Optics przełożył ten biologiczny patent na język inżynierii. Zamiast błony węża wykorzystali cieniutkie warstwy materiałów półprzewodnikowych i luminescencyjnych, które zamieniają niewidzialną podczerwień w światło widzialne dla zwykłej kamery.

Nowy sensor działa jak sztuczny narząd zmysłu: „czuje” ciepło, zamienia je na światło, a resztę wykonuje standardowy układ obrazu, znany z aparatów w smartfonach.

Miniaturowy sensor: od punktów kwantowych do zielonego obrazu

Sercem systemu są tzw. punkty kwantowe z tellurku rtęci. To nanocząsteczki, których rozmiar można precyzyjnie kontrolować, dostrajając je do konkretnego zakresu promieniowania podczerwonego – w tym przypadku do fal o długości do około 4,5 mikrometra.

Same punkty kwantowe nie wystarczą. Gdy sensor pracuje w temperaturze pokojowej, jego własne ciepło generuje szum elektryczny, który mógłby całkowicie zniszczyć użyteczny sygnał. Naukowcy poradzili sobie z tym, dodając specjalną warstwę izolującą z tlenku cynku i polimeru przewodzącego.

• punkty kwantowe – wychwytują promieniowanie podczerwone
• bariera izolująca – blokuje fałszywe sygnały termiczne z samego układu
• warstwa świecąca – zamienia sygnał elektryczny na światło widzialne
• klasyczny sensor CMOS – rejestruje finalny obraz w rozdzielczości 4K

Ta izolująca warstwa przepuszcza impulsy generowane przez prawdziwe promieniowanie cieplne, a tłumi tzw. prądy ciemne, czyli szum wynikający wyłącznie z temperatury elementów elektronicznych.

Zamiana ciepła w zielony obraz

Intrygujące jest to, że naukowcy nie zatrzymali się na konwersji podczerwieni na zwykły sygnał elektryczny. Nad warstwą punktów kwantowych dołożyli jeszcze cienką „lampkę” z materiału fosforescencyjnego zawierającego iryd. Ta warstwa świeci stabilnym zielonym światłem zawsze tam, gdzie pojawia się sygnał z podczerwieni.

W efekcie cały moduł pełni rolę swego rodzaju „projektora termicznego” zamontowanego tuż przed standardowym sensorem CMOS. Promieniowanie cieplne wchodzi z jednej strony, z drugiej wychodzi obraz w widzialnej zielonej barwie, który da się zarejestrować jak każdą inną scenę.

Dzięki takiemu układowi konwersja „jeden foton na jeden foton” przekracza 6 procent, i to bez chłodzenia do temperatur kriogenicznych, co do tej pory było niemal obowiązkowe.

Termowizja 4K na zwykłym sensorze CMOS

Cały system działa na klasycznym przetworniku CMOS w rozdzielczości 4K, czyli 3840 × 2160 pikseli. To pierwszy raz, gdy tak wysoka szczegółowość w zakresie podczerwieni jest osiągnięta bez masywnego, chłodzonego modułu w osobnej obudowie.

Testy pokazują, że sensor radzi sobie zarówno w bliskiej, jak i średniej podczerwieni. Dla oceny jego możliwości badacze mierzyli jasność generowanego obrazu oraz tzw. dynamikę – czyli zdolność jednoczesnego uchwycenia bardzo ciemnych i bardzo jasnych elementów sceny.

Takie wartości oznaczają, że kamera termiczna „doklejona” do zwykłego sensora widzi nie tylko rozgrzaną płytę kuchenną czy człowieka w ciemności, ale także bardzo subtelne różnice temperatur i to bez prześwietlania jaśniejszych obszarów.

Co ważne, moduł osiąga czułość na poziomie sygnałów porównywalnych z blaskiem gwiazd – około 10⁻¹⁰ wata na centymetr kwadratowy. Czyli w praktyce potrafi zarejestrować obiekt niewidoczny gołym okiem, ukryty za dymem, mgłą albo cienką przesłoną z materiału, który przepuszcza podczerwień.

Od fabryk i szpitali po aparat w smartfonie

Dzięki tej technologii zakresem „widzenia” kamery nie jest już tylko standardowe 0,4–0,7 mikrometra typowe dla światła widzialnego. Sensor rozszerza go do około 4,5 mikrometra, czyli wchodzi głęboko w obszar podczerwieni. To otwiera drogę do pracy w warunkach, w których tradycyjna kamera szybko się poddaje.

Najbardziej oczywiste zastosowania

• Przemysł – wykrywanie przegrzewających się elementów maszyn, inspekcje instalacji elektrycznych, kontrola jakości materiałów bez ich rozbierania.
• Bezpieczeństwo i ratownictwo – znajdowanie ludzi w zadymionych budynkach, w nocy lub w gęstej mgle, monitoring terenów trudno dostępnych.
• Medycyna – podgląd stanów zapalnych, zaburzeń krążenia, anomalii temperaturowych powierzchni ciała bez kontaktu z pacjentem.
• Rolnictwo – ocena stanu upraw, stresu wodnego roślin, wczesne wykrywanie chorób na podstawie subtelnych różnic cieplnych.
• Motoryzacja – wsparcie dla pojazdów autonomicznych w nocy i w złych warunkach pogodowych, lepsza detekcja pieszych i zwierząt.

Autorzy pracują nad rozwiązaniem w taki sposób, by dało się je produkować w obecnych liniach technologicznych dla układów obrazowania. Brak konieczności budowania nowych fabryk dramatycznie obniża próg wejścia – a to jedyny sposób, żeby termowizja naprawdę trafiła do masowych urządzeń.

Naukowcy zakładają, że docelowo taki moduł może trafić nie tylko do sprzętu wojskowego czy laboratoryjnego, ale też do smartfonów, kamer sportowych i urządzeń smart home.

Smartfon jako kieszonkowa kamera termowizyjna

Jeśli producenci elektroniki podchwycą tę koncepcję, typowy telefon może za kilka lat zyskać zupełnie nowy zmysł. Aplikacja aparatu będzie w stanie jednym kliknięciem przełączyć się z trybu standardowego na widok „cieplny”.

Dla przeciętnego użytkownika może to oznaczać choćby:

• sprawdzenie, gdzie dom traci najwięcej ciepła w zimie, bez wynajmowania specjalisty,
• wyszukiwanie przegrzewających się gniazdek czy kabli w mieszkaniu,
• łatwiejsze lokalizowanie zwierzęcia w ogrodzie po zmroku,
• analizę własnego treningu sportowego, np. miejsc przeciążenia mięśni.

Różnica w stosunku do dzisiejszych gadżetów termowizyjnych ma polegać właśnie na jakości obrazu. Zamiast rozmazanych, kolorowych plam o niskiej rozdzielczości, użytkownik zobaczy pełny, szczegółowy kadr 4K, tylko odwzorowany w tonach opartych na temperaturze, a nie na klasycznym świetle.

Co kryje się za „widzeniem ciepła” i jakie są ograniczenia

Podczerwień to nic innego jak promieniowanie elektromagnetyczne, które każdy obiekt o temperaturze powyżej zera absolutnego emituje w mniejszym lub większym stopniu. Im coś cieplejsze, tym więcej takiego promieniowania wysyła w otoczenie. Sensor z punktami kwantowymi wyłapuje tę energię, a całą resztę – w tym konwersję na obraz – w praktyce wykonuje elektronika, którą producenci smartfonów już dobrze znają.

Ten kierunek wiąże się jednak z istotnymi pytaniami. Obraz termiczny może zdradzać szczegóły, o których ludzie często nie myślą: czy ktoś jest w domu, jaką ma rutynę dnia, w jakim stanie jest instalacja grzewcza albo który pokój najczęściej się nagrzewa. W rękach ratownika to ogromna pomoc, w rękach złodzieja – potencjalnie groźne narzędzie.

Druga kwestia dotyczy bezpieczeństwa materiałów użytych w sensorze. Tellurek rtęci i związki metali ciężkich wymagają kontroli i odpowiedniej obudowy, żeby nie stanowiły zagrożenia podczas produkcji ani recyklingu. Producenci będą musieli pogodzić ambicje wprowadzenia „oczu węża” do telefonu z rygorystycznymi normami ekologicznymi.

Jeśli te bariery zostaną dobrze rozwiązane, granica między profesjonalną termowizją a codziennym gadżetem może praktycznie zniknąć. Tak jak kiedyś GPS trafił najpierw do wojska, potem do nawigacji samochodowych, a dziś siedzi cicho w każdym smartwatchu, tak samo za kilka lat zupełnie zwykły aparat w telefonie może zacząć widzieć to, co dotąd zarezerwowane było dla specjalistycznych kamer w laboratoriach i pojazdach wojskowych.