Forskare har tagit fram en infraröd sensor som efterliknar hur vissa ormar registrerar bytesdjurens värme. Tekniken fungerar i 4K-upplösning, kräver ingen avancerad kylning och kan snart finnas i massproducerade kameror – även de i smartphones.

Den nya sensortekniken kan revolutionera hur smartphones uppfattar världen. Till skillnad från traditionella värmekameror som kräver tung kylutrustning och kostar en förmögenhet, arbetar denna lösning vid rumstemperatur och är kompatibel med befintliga produktionslinjer.

Forskare från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics har hämtat inspiration direkt från naturen. Deras sensor kopierar en mekanism som vissa ormarter använt i miljontals år för att jaga i totalt mörker. Resultatet är en ultratunna enhet som kan registrera värmeskillnader så små att de matchar intensiteten hos stjärnljus sett från jorden.

Tekniken öppnar dörrar för tillämpningar som sträcker sig långt bortom traditionell fotografering. Från medicinsk diagnostik till självkörande bilar kan förmågan att se genom rök, dimma och totalt mörker förändra hela industrier.

Hur sensorn efterliknar ormens värmeseende

Vissa ormarter jagar om natten med hjälp av ett extra sinne: de registrerar bytesdjurens infraröda strålning. Mellan ögat och näsborrarna har de specialiserade gropar med ett tunt membran som reagerar på minimala temperaturskillnader.

När infraröd strålning träffar detta membran värms små områden lätt upp. Den termiska reaktionen omvandlas till nervimpulser, och i hjärnan uppstår en sorts värmebild som kombineras med vanligt syn. Djuret ser samtidigt former och en temperaturkarta.

Forskargruppen har överfört denna mekanism till elektronik. Istället för biologisk vävnad använder de lager av halvledarmaterial som fångar upp infrarött ljus och konverterar det till elektriska signaler och därefter synligt ljus. Hela arkitekturen är designad efter principen att efterlikna sinnesorganets funktion så precist som möjligt, men med material som passar moderna CMOS-sensorer.

Den nya sensorn fungerar som en digital version av ormgroparna: den fångar passivt värme och skapar en skarp bild av temperaturer i omgivningen.

Ultratunna konstruktion som omvandlar värme till grönt ljus

Nyckeln till den nya tekniken är lager mätta i nanometer. Huvudkomponenten består av så kallade kvantprickar av kvicksilvertellurid (HgTe). Dessa mikroskopiska partiklar kan justeras exakt i storlek, och därmed också vilket våglängdsområde de registrerar. I detta fall handlar det om strålning upp till cirka 4,5 mikrometer, det typiska området där varma kroppar som människor eller bilmotorer avger värme.

Själva uppfångningen av infrarött ljus är bara halva lösningen. Det kritiska problemet med traditionella värmekameror är så kallad mörkerström – brus som uppstår när själva sensorn värms upp. Tidigare bekämpade man detta genom att kyla ner systemen till mycket låga temperaturer, vilket resulterade i stora, dyra och ömtåliga enheter. Här valde forskarna en annan väg.

Mellan kvantprickarna och resten av kretsen satte de in en barriär av zinkoxid och den speciella polymeren P3HT. Detta filter blockerar signaler från slumpmässig uppvärmning av elektroniken, men släpper igenom dem som kommer från äkta infraröd strålning från omgivningen.

Nästa trick är ännu mer raffinerat: istället för att skicka den elektriska signalen direkt till bildprocessorn placerade forskarna ett ljusemitterande lager ovanpå sensorn. Det innehåller fosforescerande iridiumföreningar som omvandlar ström till stabilt grönt ljus. Det är just denna ljusbild som en standard CMOS-sensor registrerar, precis som i en vanlig kamera.

Systemet fungerar som en översättare: osynlig infraröd strålning blir först till ström och därefter till vanligt ljus som traditionella kameror perfekt kan registrera.

Effektivitet utan nedfrysning av elektroniken

Utvecklarna uppnådde en foton-till-foton konverteringseffektivitet på över 6 procent i det närainfraröda området, medan enheten arbetar vid rumstemperatur. Inom detta segment är det ett mycket solitt resultat när man tar hänsyn till frånvaron av kylning och konstruktionens miniatyrstorlek.

Forskargruppen mätte prestandan i både närainfrarött spektrum (SWIR) och mellaninfrarött spektrum (MWIR). Sensorn registrerade tydliga bilder även vid mycket svaga infraröda signaler. Bildens ljusstyrka nådde omkring 6388 cd/m² för SWIR och 1311 cd/m² för MWIR, vilket betyder att kameran klarar utmanande scener där traditionella sensorer bara ser svart.

Det dynamiska omfånget är också väsentligt – skillnaden mellan den mörkaste och ljusaste punkten som kan registreras utan förlust av detaljer. För SWIR var det 38 dB, och för MWIR 33 dB. Detta översätts till möjligheten att samtidigt fånga mycket varma element som en motor och mycket kallare bakgrunder eller silhuetter av människor, utan överexponering.

Den nya sensorn kan detektera signaler så svaga som 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter – en intensitet jämförbar med ljusstyrkan hos stjärnor observerade från jorden. Så hög känslighet öppnar vägen till tillämpningar i nästan fullständigt mörker och överallt där det mänskliga ögat slutar registrera något.

4K-upplösning i infrarött ljus: parametrar som saknades

Hela systemet är integrerat med en klassisk CMOS-sensor i 4K-upplösning, alltså 3840 × 2160 pixlar. Inom termisk bildbehandling är det ett kvalitativt språng. Hittills har hög upplösning varit förbehållet dyra system med kylda detektorer.

Utvidgningen av sensorns ”synliga” område från typiska 0,4-0,7 mikrometer till cirka 4,5 mikrometer förändrar radikalt kamerornas möjligheter. De börjar fungera effektivt i situationer som är problematiska för vanlig optik: i dimma, i rök, i komplett mörker eller vid starka ljusreflexer på metall- och glasytor.

Redan nu kan man se flera områden där sådana lösningar kan komma i dagligt bruk:

Industri och infrastruktur: kontroll av överhettade komponenter, registrering av läckage och termiska skador utan att ta isär utrustning
Jordbruk: bedömning av växters tillstånd, vattenstress och sjukdomar baserat på subtila temperaturskillnader i blad
Livsmedelssäkerhet: övervakning av temperaturer och fuktighet i förpackningar, lager och kylkedjor
Transport och självkörande bilar: registrering av fotgängare, djur och hinder vid noll sikt på vägen
Medicin: observation av inflammationstillstånd, cirkulationsstörningar eller läkningsprocesser i realtid med miniatyrkameror
Byggnadsinspektioner: lokalisering av värmeförluster, fuktskador och isoleringsproblem genom väggar
Nödsituationer: räddningsteam kan hitta personer i brinnande byggnader eller i mörker
Naturforskning: observation av nattaktiva djur utan störande ljus

Med tiden, när produktionskostnaderna sjunker, kan samma teknik hitta vägen till massproducerade enheter: smartphones, bärbara actionkameror, drönare och till och med intelligenta hushållsapparater.

Smartphones som fick-värmekameror

Sensorns skapare understryker att deras konstruktion är kompatibel med befintliga produktionslinjer för CMOS-sensorer. Det finns ingen anledning att bygga nya fabriker eller skapa separata moduler. I praktiken betyder det en chans att bygga in infraröda lager direkt i nästa generation av smartphone-kameror.

Möjliga användningsscenarier i telefoner är mycket breda. Du kan använda termisk vision för att kolla om kaffemaskinen fortfarande är varm, hitta värmeförluster runt fönster och dörrar eller lokalisera ditt husdjur i mörker. Fotografer kan registrera värmesignaturer från djur i skogen utan blixt, medan byggnadsinspektörer får ett professionellt verktyg i fickan.

Tillverkarna av sensorn framhåller att modulen är så kompakt att den passar in i befintliga telefonhöljen. Den ljusemitterande konverteringsmekanismen eliminerar behovet av separata bildprocessorer för termiska data. Allt hanteras av samma chip som redan styr huvudkameran.

Smartphones utrustade med denna teknik kommer att kunna växla mellan vanlig fotografering och termisk bildbehandling med ett enda tryck. Artificiell intelligens kan kombinera båda datakällorna och automatiskt framhäva varma objekt i ramen, varna för överhettade ytor eller hjälpa till att hitta nycklar tappade i mörker.

Chanser och frågor: integritet, hälsa och reglering

En ny form av ”syn” i fickan är inte bara praktisk. Det uppstår också frågor. En kamera som ser värme genom vissa material kan kränka privatlivet om den hamnar i fel händer. Juridiska regler måste definiera hur sådana data får användas, i vilken upplösning och i vilka situationer.

Därtill kommer hälsofrågan. Själva sensorn arbetar passivt – den sänder inte ut stark strålning utan tar bara emot. Det potentiella problemet kan snarare vara mängden extra elektronik som proppats in i telefonens trånga hölje och den därav följande uppvärmningen. Här är det tillverkarnas roll att förnuftigt lösa värmeavledning och energiförbrukning.

För användaren kan det också vara viktigt hur AI-system kombinerar data från den klassiska kameran och den termiska sensorn. Telefonen kommer att kunna känna igen personer i rök eller bakom dåligt upplysta fönster automatiskt, markera farligt varma föremål eller ge räddningspersonal tips om var i en byggnad de ska leta efter människor.

Om sådana lösningar når massproduktion upphör telefonkameran med att uteslutande vara ett verktyg för att ta bilder till sociala medier. Den får en helt ny funktion – den blir en bärbar sinnesförmåga som kombinerar mänsklig vision med ”ormliknande” värmeuppfattning. Kan det fundamentalt förändra sättet vi använder elektronik i vardagen?