Nowe smartfony zobaczą ciepło jak wąż: przełomowy sensor 4K bez chłodzenia

Miniaturowa kamera termiczna w każdym telefonie nie jest już fantazją twórców science fiction, tylko realnym kierunkiem rozwoju.

Naukowcy opracowali nowy typ sensora podczerwieni, który naśladuje sposób, w jaki niektóre węże „widzą” ciepło ofiary. Urządzenie działa w rozdzielczości 4K, nie wymaga skomplikowanego chłodzenia i może trafić do masowo produkowanych aparatów, także tych w smartfonach.

Wzrok jak u węża: jak natura podpowiedziała konstrukcję sensora

Niektóre gatunki węży polują w nocy, posługując się dodatkowym zmysłem: wyczuwają promieniowanie cieplne ofiary. Między okiem a nozdrzami mają specjalne jamki z cienką błoną, która reaguje na minimalne różnice temperatury.

Gdy na tę błonę pada promieniowanie podczerwone, jej fragmenty lekko się nagrzewają. Reakcja termiczna zamienia się w impuls nerwowy, a następnie w mózgu powstaje coś w rodzaju „obrazu cieplnego”, łączonego z klasycznym widzeniem. Zwierzę jednocześnie widzi kształty i „mapę” temperatur.

Zespół z Beijing Institute of Technology oraz Changchun Institute of Optics przeniósł ten mechanizm do elektroniki. Zamiast biologicznej błony zastosowano warstwę materiałów półprzewodnikowych, które przechwytują podczerwień i zamieniają ją na sygnał elektryczny, a potem świetlny. Cała architektura urządzenia powstała według zasady: jak najwierniej odwzorować funkcję narządu zmysłu, ale w materiałach zgodnych ze współczesnymi matrycami CMOS.

Nowy sensor działa jak cyfrowa wersja „jamki termicznej” węża: pasywnie przechwytuje ciepło, tworząc wyraźny obraz temperatur w otoczeniu.

Ultracienka konstrukcja: jak zamienić ciepło w zielone światło

Kluczem do działania nowej technologii są warstwy o grubości liczonych w nanometrach. Zasadniczy element stanowią tzw. kropki kwantowe z tellurku rtęci (HgTe). To mikroskopijne cząstki, których rozmiar da się precyzyjnie regulować, a wraz z nim – zakres rejestrowanych długości fal. W tym przypadku chodzi o promieniowanie do około 4,5 mikrometra, czyli typowy obszar, w którym „świeci” ciepłe ciało człowieka czy silnik samochodu.

Samo wychwycenie podczerwieni to dopiero połowa sukcesu. Krytyczny problem tradycyjnych kamer termicznych to tzw. prądy ciemne, czyli szum pochodzący z nagrzewania się samego sensora. W przeszłości walczono z tym, chłodząc układy do bardzo niskich temperatur – stąd duże, kosztowne i delikatne urządzenia. Tu badacze poszli inną drogą.

Między kropkami kwantowymi a resztą obwodu wstawiono barierę z tlenku cynku i specjalnego polimeru P3HT. Taki „filtr” blokuje sygnały wynikające z przypadkowego nagrzewania się elektroniki, przepuszcza natomiast te, które wzbudza rzeczywiste promieniowanie podczerwone z otoczenia.

Kolejny trik jest jeszcze ciekawszy: zamiast od razu wysyłać sygnał elektryczny do elektroniki przetwarzającej obraz, nad sensorem umieszczono warstwę świecącą. Zawiera związki fosforescencyjne z irydem, które przekształcają prąd w stabilne, zielone światło. To właśnie ten obraz świetlny rejestruje standardowa matryca CMOS, jak w zwykłej kamerze.

Układ działa jak „tłumacz”: niewidzialna podczerwień najpierw staje się prądem, a następnie zwykłym światłem, które idealnie widzi tradycyjny aparat.

Efektywność bez mrożenia elektroniki

Twórcom udało się uzyskać sprawność konwersji foton–foton na poziomie ponad 6% w bliskiej podczerwieni, zachowując pracę w temperaturze otoczenia. W tym segmencie to bardzo solidny wynik, biorąc pod uwagę brak chłodzenia i miniaturowy rozmiar konstrukcji.

4K w podczerwieni: parametry, których brakowało

Cały układ zintegrowano z klasycznym sensorem CMOS w rozdzielczości 4K, czyli 3840 × 2160 pikseli. W obrazowaniu termicznym to skok jakościowy. Dotychczas wysoka rozdzielczość była domeną kosztownych systemów z chłodzonymi detektorami.

W testach nowy sensor rejestrował czytelne obrazy nawet przy bardzo słabym sygnale w podczerwieni. Badacze mierzyli zarówno zakres bliskiej podczerwieni (SWIR), jak i średniej (MWIR). Jasność obrazu sięgała około 6388 cd/m² dla SWIR i 1311 cd/m² dla MWIR, co oznacza, że kamera radzi sobie z wymagającymi scenami, w których tradycyjne czujniki „widzą” tylko czerń.

Istotny jest też zakres dynamiczny – różnica między najciemniejszym a najjaśniejszym punktem, jaki można zarejestrować bez utraty szczegółów. Dla SWIR wyniósł on 38 dB, a dla MWIR 33 dB. Przekłada się to na możliwość jednoczesnego uchwycenia bardzo gorących elementów, np. silnika, i znacznie chłodniejszych tła czy sylwetek ludzi, bez przepaleń i „zalewania” obrazu bielą.

Nowy sensor jest w stanie wykrywać sygnały tak słabe, jak 10⁻¹⁰ wata na centymetr kwadratowy – to intensywność porównywalna z jasnością gwiazd obserwowanych z Ziemi. Tak wysoka czułość otwiera drogę do zastosowań w niemal całkowitej ciemności oraz wszędzie tam, gdzie ludzkie oko przestaje cokolwiek rejestrować.

Od laboratoriów do kieszeni: gdzie ta technologia może trafić

Rozszerzenie zakresu „widzialnego” przez sensor od typowych 0,4–0,7 mikrometra do około 4,5 mikrometra radykalnie zmienia możliwości kamer. Zaczynają one z powodzeniem działać w sytuacjach, które są kłopotliwe dla zwykłej optyki: we mgle, w dymie, w kompletnej ciemności czy przy silnych refleksach światła na metalowych i szklanych powierzchniach.

Już na starcie widać kilka obszarów, w których takie rozwiązania mogą wejść do codziennego użycia:

• Przemysł i infrastruktura – kontrola przegrzewających się elementów, wykrywanie nieszczelności i uszkodzeń termicznych bez rozbierania urządzeń.
• Rolnictwo – ocena stanu roślin, stresu wodnego i chorób na podstawie subtelnych różnic temperatur liści.
• Bezpieczeństwo żywności – monitorowanie temperatur i wilgotności w opakowaniach, magazynach i łańcuchach chłodniczych.
• Transport i auta autonomiczne – wykrywanie pieszych, zwierząt i przeszkód przy zerowej widoczności na drodze.
• Medycyna – obserwacja stanów zapalnych, zaburzeń krążenia czy procesów gojenia w czasie rzeczywistym, przy użyciu miniaturowych kamer.

Z czasem, gdy koszt produkcji spadnie, ta sama technologia może trafić do urządzeń masowych: smartfonów, przenośnych kamer sportowych, dronów, a nawet inteligentnych urządzeń domowych.

To, co dziś robią drogie kamery przemysłowe, jutro może zrobić zwykły telefon – i to w jakości 4K, bez statywów, ciężkich obudów i zestawów chłodzących.

Smartfon jako kieszonkowa kamera termiczna

Twórcy sensora podkreślają, że ich konstrukcja współpracuje z istniejącymi liniami produkcyjnymi dla matryc CMOS. Nie ma potrzeby budowania nowych fabryk ani tworzenia osobnych modułów. W praktyce oznacza to szansę na wbudowanie warstw podczerwieni bezpośrednio w przyszłe generacje aparatów smartfonowych.

Możliwe scenariusze użycia w telefonach są bardzo szerokie:

Szanse i pytania: prywatność, zdrowie, regulacje

Nowy rodzaj „wzroku” w kieszeni to nie tylko wygoda. Pojawiają się też pytania. Kamera, która widzi ciepło przez część materiałów, może naruszać prywatność, jeśli trafi w ręce osób o złych intencjach. Regulacje prawne będą musiały określić, jak wolno takimi danymi dysponować, w jakiej rozdzielczości i w jakich sytuacjach.

Dochodzi do tego kwestia zdrowia. Sam sensor pracuje pasywnie – nie emituje silnego promieniowania, tylko je odbiera. Ewentualnym problemem może być raczej ilość dodatkowej elektroniki upchniętej w ciasnej obudowie telefonu i wynikające z tego nagrzewanie. Tu rola producentów, by rozsądnie rozwiązać kwestie odprowadzania ciepła i zużycia energii.

Dla użytkownika istotne może być też to, jak systemy AI połączą dane z klasycznej kamery i sensora termicznego. Telefon będzie mógł automatycznie rozpoznawać na przykład osoby w dymie czy za słabo oświetloną szybą, zaznaczać niebezpiecznie gorące przedmioty albo podpowiadać ratownikom, gdzie w budynku szukać ludzi.

Jeśli takie rozwiązania wejdą do masowej produkcji, aparat w telefonie przestanie być wyłącznie narzędziem robienia zdjęć na media społecznościowe. Zyska zupełnie nową funkcję – stanie się przenośnym zmysłem, który łączy ludzkie widzenie z „wężowym” postrzeganiem ciepła, i może mocno zmienić sposób, w jaki na co dzień korzystamy z elektroniki.