En sensor inspirerad av ormar kan ge smartphones värmesyn

Forskare har tagit fram ett sensorsystem som efterliknar ormars förmåga att fånga värme och omvandlar infraröd strålning direkt till skarpa 4K-bilder. Det som hittills endast varit förbehållet dyr militärutrustning och industrikameror kan en dag hamna i din telefon – helt utan klumpig kylning eller specialoptik.

Vad ormar kan som vi inte kan

Vissa ormarter, däribland grophuggare, har ett extra sinnesorgan. De kan registrera värmekällor även i fullständigt mörker. Mellan ögat och näsöppningen sitter små gropar där en ultratunna membran är upphängd. När infraröd strålning – alltså värme – träffar detta membran värms det upp minimalt, och nerverna skickar signalen vidare till hjärnan.

Djuret kombinerar denna information med sin normala syn. Resultatet blir en sorts dubbelbild bestående av synligt ljus och en infraröd värmesignatur. På det här sättet kan ormen upptäcka byte som gömmer sig bakom löv, i halvdunkel eller i undervegetation.

Exakt denna princip har ett team från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics återskaptat tekniskt. Målet var en sensor som registrerar värme på samma sätt som ormmembranet – men placerad på ett klassiskt kamerachip.

En djurisk jaktinstinkt har blivit till en bildteknologi som kan passa ner i fickan.

Från ormgropar till nanochip

I stället för ett biologiskt membran använder den nya sensorn en komplex skiktning av halvledare och nanomaterial. I centrum står så kallade kvanttorn av kvicksilvertellurid (HgTe). Det är ytterst små partiklar vars storlek kan ställas in exakt. Genom denna storlek kan man styra vilket infrarött område de reagerar mest känsligt på.

Chippet täcker våglängder upp till 4,5 mikrometer. Det reagerar därmed både på kortvågigt infrarött ljus – använt för materialkontroll – och på det område där varma kroppar som människor, djur och motorer utsänder strålning.

Ett stort problem med den här typen av infraröda sensorer är egenbrus: Chippet självt blir varmt och producerar störande strömmar som suddar ut bilden. Hittills har många högpresterande sensorer måste kylas ner med avancerade kylsystem – dyrt, tungt och energikrävande.

Den kinesiska gruppen löser detta med en form av barriärskikt mellan kvanttornen och den underliggande elektroniken. Denna barriär består av zinkoxid och en polymer kallad P3HT. Den blockerar de felaktiga strömmarna men låter de verkliga, infrarött utlösta signalerna passera igenom.

Tricket med lysande ämne: Värme blir grönt ljus

I stället för att avläsa signalerna direkt elektroniskt går teamet ett steg längre. Ovanpå de elektriska skikten ligger ytterligare ett lager med fosforescerande material, däribland ett iridiumkomplex. Det omvandlar den elektriska signalen till synligt, grönt ljus.

Detta har en enkel men genial effekt: Vilken vanlig CMOS-bildsensor som helst – alltså det som sitter i smartphones, webbkameror och övervakningskameror idag – kan fånga detta ljus som en normal bild. Osynlig värmestrålning blir därmed till en tydlig grön framställning.

Infrarött ljus träffar kvanttorn och genererar laddningsbärare
Isolationsskiktet filtrerar bort brussignaler
Det lysande lagret omvandlar signalen till synligt ljus
CMOS-chippet fångar den färdiga bilden i 4K

Den så kallade foton-till-foton-verkningsgraden – alltså hur många av de inkommande infraröda fotonerna som frigörs som synliga fotoner – ligger enligt studien på över sex procent. För ett system utan kylning är det ett mycket högt värde.

4K-värmebilder på standard-CMOS – utan kylning

Det sammansatta systemet sitter på ett normalt CMOS-chip med 3840 × 2160 pixlar. Därmed uppnår sensorn äkta 4K-upplösning för infraröda inspelningar. I det hittillsvarande high-end-segmentet var sådana upplösningar typiskt endast möjliga med kylda specialdetektorer.

Under testerna levererade systemet detaljerade bilder även vid mycket svag infraröd strålning. Ljusstyrkan i de producerade bilderna låg i det kortvågiga infraröda området på över 6 000 candela per kvadratmeter och i det mellaninfraröda området fortfarande klart över 1 000 candela per kvadratmeter. För att sätta det i perspektiv: Det är ljust nog för att en normal bildsensor ska kunna producera en skarp och brusfri bild.

Dynamiken är också anmärkningsvärd – alltså sensorns förmåga att samtidigt fånga mycket mörka och mycket ljusa partier av samma motiv. Här uppnår chippet 38 decibel i kortvågigt och 33 decibel i mellaninfrarött. Det gör det möjligt att avbilda exempelvis ett varmt motorblock och en sval bakgrund i en bild utan att förlora detaljer i varken de ljusa eller mörka områdena.

Särskilt imponerande är det att sensorn registrerar effekter i storleksordningen 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter. Det motsvarar ljusstyrkor lika med avlägsna stjärnor – värden man normalt endast uppnår med starkt specialiserade astronomiska instrument.

Där denna teknologi troligen dyker upp först

Innan telefoner ser i mörker som ormar kommer teknologin sannolikt först att slå igenom i professionella sammanhang. Det utvidgade spektrumet – från cirka 0,4 till 4,5 mikrometer – öppnar nämligen för många tillämpningar där normala kameror kommer till korta.

Industri, säkerhet och forskning

Industriinspektion: Sprickor, överhettning eller materialfel i maskiner blir synliga som temperaturskillnader – även genom vissa lock.
Farliga miljöer: Kemiska anläggningar, raffinaderier och tunnelanläggningar kan övervakas utan att folk ständigt ska befinna sig på platsen.
Jordbruk: Växtstress, torka eller svampangrepp visar karakteristiska värmemönster som kan upptäckas tidigt.
Livsmedelskontroll: Temperatur- och fuktighetssvängningar i förpackningar kan avslöjas utan att öppna den.

I bilar skulle sådana sensorer kunna känna igen fotgängare, djur eller tappade föremål som försvinner i dimma, motljus eller mörker för en normal kamera. Särskilt för autonoma fordon skulle det utgöra en extra säkerhetsnivå.

Medicin och vardagsteknologi

Inom medicinen öppnar teknologin för kompakta, endoskopliknande kameror som kan följa inflammationstillstånd eller cirkulationsrubbningar utifrån temperaturmönster. I stället för stora värmebildkameror kunde man använda miniatyrmoduler integrerade direkt i instrument eller till och med wearables.

I hemmet är tillämpningar som intelligent värmestyrning, som kartlägger den faktiska värmefördelningen i ett rum, eller säkerhetskameror som i mörker inte bara registrerar rörelse utan skiljer kroppsvärme – exempelvis människa kontra husdjur – absolut tänkbara scenarier.

När kommer det i smartphones?

Forskarna understryker att deras konstruktion kan tillverkas med befintliga produktionsmetoder. Det finns alltså inget behov av helt nya jättefabriker – grundteknologin liknar det som chipindustrin redan använder. Det sänker potentiellt kostnaderna markant.

För smartphones är tre faktorer avgörande: utrymme, strömförbrukning och pris. Det presenterade chippet uppfyller åtminstone två av dem ganska väl. Det kräver ingen aktiv kylning och bygger på standard-CMOS-strukturer. Därmed krymper komponenten till en storlek som teoretiskt passar in i en kameramodul.

De typiska hindren mellan laboratorium och massmarknad är fortfarande oklara: hållbarhet i dagligt bruk, långtidsstabilitet för nanomaterialen samt produktionsutbyte i stora mängder. Dessutom måste telefontillverkare se ett verkligt mervärde för att offra dyrbar plats i enheten.

Realistiskt sett kommer det första steget sannolikt vara specialsmartphones för brandmän, tekniker, outdoor-entusiaster eller säkerhetspersonal. Där är värmebilder redan värdefulla idag – men modulerna är klumpigt stora och levererar grova färgytor framför skarpa 4K-detaljer.

Vad man bör veta om infrarött ljus och kvanttorn

Många av begreppen låter abstrakta men förekommer faktiskt redan i vardagsutrustning. Kvanttorn känner man exempelvis från QLED-TV-apparater som använder dem för att producera särskilt kraftfulla färger. I den aktuella sensorn arbetar de på liknande vis – dock i det osynliga området för att fånga minimala energimängder.

Infrarött ljus är i sig inget exotiskt: Varje varm kopp kaffe, varje husmur och varje människa utsänder konstant infraröd strålning. Normala kameror skär nästan fullständigt bort detta område så att bilden ser naturlig ut. Det nya tillvägagångssättet utvidgar detta ”synfält” utan att ge upp den klassiska färgåtergivningen – infrarödinformationen översätts helt enkelt till klart grönt ljus som ett extra lager.

Just detta steg gör teknologin så fascinerande: I stället för abstrakta, svåravlästa termogram uppstår värmebilder som liknar normala inspelningar – bara med en extra informationsnivå. För många tillämpningar räcker ett mjukvaruoverlay som lägger de gröna värmeinformationerna halvtransparent över den klassiska videobilden.

Därmed närmar sig ett scenario som för bara några år sedan lät som science fiction: Telefonen visar inte bara det som är framför oss, utan också vad som är varmt bakom – genom lätt dimma, tunn plast, bestämda glastyper eller kiselplattor. En orm skulle nog bara nicka erkännande.