Ingenjörer har byggt en miniatyrvärmebildskamera för smarttelefoner

En forskargrupp har lyckats konstruera en mikroskopisk värmebildskamera som passar direkt in i en vanlig smarttelefons sensor. Inspirationen kom från ormars förmåga att jaga i mörker med hjälp av bytets värmeutstrålning.

Det här handlar inte om ett marknadsföringsprojekt – det är resultatet av seriöst vetenskapligt arbete från Kina. Forskarna ville överföra biologins värmeregistreringsmekanism direkt till konsumentelektronik, från mobiltelefoner till kameror i bilar.

Vad ormars värmesinne har med teknologi att göra

Vissa ormarter besitter förutom sin normala syn även ett så kallat ”värmesinne”. Mellan ögat och näsborren sitter en specialiserad fördjupning med ett tunt membran som reagerar på infrarött ljus som avges av varma objekt – till exempel en djurs eller en människas kropp. När infraröda vågor träffar membranet värms delar av det upp lite och utlöser en nervsignal som hjärnan kombinerar med den visuella bilden.

Resultatet blir att djuret får ett slags ”värmelager” ovanpå sin normala syn och därmed kan jaga effektivt i fullständigt mörker utan något ljus överhuvudtaget. Det var just denna biologiska finess som fascinerade forskarna.

Teamet bakom upptäckten: Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics

Ett forskarteam från Beijing Institute of Technology och Changchun Institute of Optics beslutade sig för att bygga en elektronisk motsvarighet till detta sinnessystem. De utvecklade en ultratunn modul som fångar upp värme och omedelbart omvandlar det till en bild som en vanlig kamera kan avläsa.

Det nya systemet fungerar som en digital version av ormens värmesinne: det ”lyssnar” på värmeutstrålningen och visar den som en tydlig, färgstark bild i realtid.

Så omvandlas infraröd strålning till en 4K-bild

Traditionella värmebildskameror är stora, dyra och kräver nedkylning till mycket låga temperaturer. Det är den primära orsaken till att de främst används inom militären, industrin och laboratorier – och inte i fickan på en slumpmässig konsument. Den nya teknologin siktar direkt mot detta problem genom att fungera vid rumstemperatur, helt utan komplicerad kylutrustning.

Kärnan i den nya sensorn är så kallade kvanttrådar av kvicksilvertellurid (HgTe). Det är ytterst små halvledande nanopartiklar som absorberar infraröd strålning med våglängder upp till omkring fyra och en halv mikrometer. Deras storlek kan justeras så att känsligheten matchar ett specifikt intervall av det infraröda spektrumet.

Men själva det infrarödkänsliga materialet räcker inte. Höga temperaturer i de elektroniska komponenterna skapar så kallade mörkerströmmar – brus som efterliknar en verklig signal. Det motsvarar lite att en kamera konstant försöker ta bilder och förväxlar sin egen värme med det som pågår framför linsen. För att lösa detta introducerade forskarna ett mycket tunt isolerande lager av zinkoxid och den speciella polymeren P3HT. Denna barriär blockerar falska värmesignaler från kretsen själv, men låter den laddning passera som genereras av äkta infraröd strålning utifrån.

Skiktet som förvandlar elektrisk ström till synligt ljus

Istället för att bara skicka den elektriska strömmen vidare till en traditionell signalkrets tog forskarna ett steg längre. Ovanpå kvanttrådsskiktet placerade de ett lager som kan lysa. När den elektriska signalen från infraröd strålning anländer, avger detta lager synligt ljus – i experimenten var det en stabil grön färg framställd av iridiumföreningar.

Infrarödssensorn lyser direkt ner på en CMOS-matris, så en vanlig kamera kan ”se” värme i 4K-kvalitet. Hela systemet är placerat på en standard CMOS-sensor som används i stor skala i kameror och smarttelefoner. Det innebär att enhetens elektronik inte behöver ändras – istället för att bygga en helt ny kameratyp tillfogas bara ett tunt lager som konverterar infraröd strålning till ljus.

Tekniska specifikationer

Upplösning på 3840 × 2160 pixlar motsvarande 4K-standarden
Täcker området från när- till mellaninfrarött (SWIR och MWIR)
Konverteringseffektivitet på över sex procent foton–foton i det närinfraröda området
Fungerar vid rumstemperatur utan kylenhet
Kompatibel med standard CMOS-matriser
Använder kvanttrådar av kvicksilvertellurid (HgTe)
Isolerande lager av zinkoxid blockerar brus
Lysande lager med iridiumföreningar skapar den synliga bilden

Syn i mörker, genom rök och bakom kisel

Under testerna klarade den nya sensorn sig i förhållanden där en traditionell kamera nästan är ”blind”. Systemet genererade tydliga bilder även vid mycket svag infraröd strålning, jämförbar med stjärnsken. Känsligheten nådde ner till signaler i storleksordningen 10⁻¹⁰ watt per kvadratcentimeter.

I praktiken betyder det att modulen kan registrera temperaturskillnader i fullständigt mörker och till och med genom material som är ogenomskinliga för synligt ljus – såsom kiselskivor eller vissa kemiska behållare. Vad som för en konventionell kamera är en svart bild, är för den nya sensorn en detaljerad termisk bild.

Det så kallade dynamiska området spelar också en viktig roll. Enheten hanterar både mycket svaga och mycket starka signaler inom samma upptagning. För det närinfraröda området når det upp till cirka 38 decibel, och för det mellaninfraröda 33 decibel. Det ger möjlighet att se en kall bakgrund och varma element i samma scen utan överexponering eller förlust av detaljer. Sensorns synfält utvidgas från de typiska 0,4 till 0,7 mikrometer till cirka 0,4 till 4,5 mikrometer – alltså flera gånger längre in i det osynliga infraröda området.

Var denna kamera kan dyka upp först

Utvidgningen från det synliga spektrumet till ett brett infrarött område öppnar en rad möjligheter inom professionella tillämpningar. Forskarna pekar på flera sektorer där teknologin sannolikt kommer att göra sitt inträde tidigast.

I fabriker kommer en 4K-termovisionskamera på avstånd att kunna registrera överhettade komponenter, läckande rör, fel i isolering och farligt upphettade maskiner. Idag kräver sådana inspektioner i många branscher tunga, dyra kameror betjänade av specialiserad personal.

Inom jordbruket hjälper en känslig infraröd kamera med att övervaka grödornas tillstånd. Växter som lider av vattenstress eller är sjuka ändrar ofta det sätt de avger värme på, innan det blir synligt för blotta ögat. En termisk analys från en drönare eller ett fordon kan varna bonden om ett problem innan skörden faller.

Likaså inom logistik och livsmedelsförpackning – kameran kan kontrollera om det uppstår misstänkt kondens inuti, felaktig temperaturfördelning eller överdriven produktuppvärmning. I bilindustrin kunde en sådan sensor utgöra ytterligare ett ”synlager” för bilen och hjälpa till att upptäcka fotgängare, cyklister eller djur på vägen i tät dimma, kraftigt regn, om natten och vid bländande lyktor från mötande.

Inom medicin kan miniatyrvärmekameror i hög upplösning användas för att detektera inflammationstillstånd, cirkulationsstörningar eller otätheter i medicinsk utrustning. En blick på temperaturfördelningen på huden eller på ytan av ett organ under ett ingrepp ger läkaren ytterligare information. För vanliga konsumenter är dock den mest lockande utsikten att få denna funktion inbyggd i en smarttelefon, hemövervakningskameror eller robotdammsugare. Studiens författare understryker att teknologin kan produceras på befintliga linjer som tillverkar CMOS-sensorer, utan att nya fabriker behöver byggas.

Vad det betyder för den vanliga smarttelefonanvändaren

Tillgång till termovision i fickan kan förändra det sätt man löser många vardagsuppgifter på. Användare utan teknisk expertis kommer snabbt att kunna kolla var värmen försvinner ut ur lägenheten, om radiatorn värmer jämnt, var det löper rör i väggen, och till och med om en laddare, en förlängningssladd eller ett batteri är farligt överhettad.

Teknologin medför dock också risker. Den höga upplösningen och känsligheten gör det till exempel möjligt att observera människor genom tunna skiljeväggar, att uppskatta deras närvaro i en lägenhet utifrån värmeutsläpp eller att spåra avtryck efterlämnade av upphettade bildäck. Det väcker frågor om privatlivets helgd och nödvändigheten av tydliga regler för användningen av sådana funktioner på offentliga platser.

Det är också värt att notera att en termobild kräver korrekt tolkning. En temperaturskillnad betyder inte alltid ett problem, och i vissa situationer kan en felaktig analys leda till onödigt larm. Mjukvaruproducenter kommer att behöva tillföra solida algoritmer och lättbegripliga rapporter, så att användaren inte uteslutande förlitar sig på färgfläckar på skärmen.

Från en teknisk synvinkel är hållbarheten hos de lysande lagren och kvanttrådarna vid daglig smarttelefonanvändning fortfarande en viss utmaning – vid fall, plötsliga temperaturskiften och intensivt solljus. Det är den fas där prototyperna från laboratoriet ska bevisa sin robusthet i den verkliga världen, innan de kan nå massproduktion. Om kostnaderna faller kommer funktionen ”termisk 4K-läge” kanske en dag att dyka upp bredvid ”natt” och ”porträtt” i kameraappen.