Vědcům se podařilo něco, co ještě nedávno patřilo do sci-fi
Výzkumný tým sestrojil kamerový snímač, který převádí teplo do křišťálově ostrého obrazu – bez chlazení a dost malý na to, aby se vešel do smartphonu.
Technologie vychází z principu, jakým hadi „vidí" teplo, a dokáže přeměnit infračervené záření přímo na viditelný obraz ve 4K rozlišení. Cenově dostupné tepelné vidění pro běžné spotřebitele, automobily i medicínské využití se tak najednou stává reálnou perspektivou.
Od drahé vojenské kamery k senzoru v kapse
Infračervené zobrazování bylo dosud doménou vojenských nočních kamer, průmyslových zařízení a specializovaných laboratoří. Takové systémy jsou rozměrné, finančně náročné a k získání použitelného obrazu zpravidla vyžadují chlazení pomocí kapalného dusíku nebo složitých chladicích článků.
Výzkumníci z Pekingského technologického institutu a Changchunského institutu optiky nyní přišli s odlišným přístupem. Vyvinuli tenkou vrstvu, která se nanáší přímo na standardní CMOS snímač – stejný typ čipu, jaký se používá v mobilních telefonech – a přeměňuje infračervené záření na viditelné světlo. Bez jakéhokoliv chlazení, s rozlišením 3840 × 2160 pixelů, tedy plnohodnotným 4K.
Tento nový senzor mění neviditelné teplo na zelené světlo, které dokáže zachytit běžná kamera.
Vzdálenost mezi laboratoří a každodenní elektronikou se tím výrazně zkracuje. Výrobci nemusí vyvíjet zcela nový typ kamery – mohou využít stejné výrobní postupy, které už dnes uplatňují při produkci miliard smartphonů.
Jak hadi vidí teplo – a co z toho inženýři převzali
Některé druhy hadů, například chřestýši či určité druhy pytónů, dokážou v naprosté tmě lokalizovat kořist díky speciálním teplocitlivým orgánům umístěným mezi očima a nozdrami. Tyto jamky obsahují blanku, která registruje i minimální rozdíly teplot.
Jsou-li v okolí teplokrevní živočichové, jejich teplejší části těla se na této blance projeví jako charakteristické „skvrny". Nervové signály putují do mozku, který je kombinuje s běžnými zrakovými vjemy. Výsledkem je dvojitý obraz – normální zrak doplněný o tepelnou mapu.
Právě tento princip sloužil vědcům jako vzor. I jejich systém je postaven na tenké citlivé vrstvě, která zachytává infračervené záření a převádí je na signál zpracovatelný „mozkem" zařízení – tedy kamerovým čipem.
Od hadí blanky k nanomateriálu
Místo biologické tkáně používají vědci nanočástice zvané kvantové tečky na bázi teluridu rtuťnatého (HgTe). Přesným nastavením jejich velikosti lze dosáhnout citlivosti na infračervené vlnové délky až přibližně 4,5 mikrometru.
- Hadí blanka reaguje na teplotní rozdíly ve vzduchu.
- Kvantové tečky reagují na infračervené světlo vyzařované teplými předměty.
- V obou případech vzniká vzorec nesoucí informaci o rozložení tepla v okolí.
Zásadním krokem bylo potlačení rušivých signálů. Senzor se sám mírně zahřívá, což může způsobovat nežádoucí šum – takzvaný „tmavý proud". Aby vědci tento šum omezili, přidali izolační vrstvu z oxidu zinku a speciálního polymeru (P3HT). Ta propouští požadovaný signál, ale blokuje velkou část vnitřního šumu.
Chytrý trik se světlem: teplo nejprve přeměnit, až pak snímat
Tento senzor nepracuje jako většina existujících infračervených kamer, které přímo čtou elektrické signály. Vědci zde přidávají mezikrok: elektrický infračervený signál se nejprve převede na viditelné světlo, a teprve to pak čte podkladový CMOS čip.
K tomu slouží vrstva fosforeskujících materiálů, mimo jiné sloučeniny iridia, umístěná nad kvantovými tečkami. Když kvantové tečky zachytí infračervené záření a přemění ho na elektrický signál, tato světelná vrstva začne vydávat stabilní zelené záření ve stejném vzorci. Kamera pod vrstvou tak vidí běžný zelený obraz, v němž je tepelná informace již vizuálně zakódována.
Přeměnou tepla na zelené světlo může získat „noční vidění" prakticky jakýkoliv standardní kamerový čip.
Podle výzkumníků dosahuje systém účinnosti přeměny fotonů přes 6 procent v oblasti blízkého infračerveného záření. To zní skromně, ale pro tento typ technologie je to pozoruhodně vysoká hodnota – zvláště bez použití chlazení.
4K tepelný obraz, použitelný i při světle hvězd
Výkon senzoru je skutečně pozoruhodný. Dosahuje 4K rozlišení a funguje jak v oblasti blízkého infračerveného záření (SWIR), tak v oblasti středních vlnových délek (MWIR) – dvou klíčových pásmech pro tepelné zobrazování.
Pro vyjádření jasu používají vědci jednotku kandela na metr čtvereční, standardní míru intenzity světla. Senzor dosahuje přibližně 6 388 cd/m² v blízkém infračerveném pásmu a 1 311 cd/m² v oblasti středních vlnových délek. To zajišťuje ostrý obraz i při velmi slabém infračerveném záření.
Pozoruhodný je také dynamický rozsah: přibližně 38 decibelů v blízkém infračerveném pásmu a 33 decibelů v oblasti středních vlnových délek. Jednoduše řečeno – kamera zachytí zároveň velmi světlé i velmi tmavé detaily v jediném snímku, aniž by některé partie vyhořely nebo splynuly do tmy.
Citlivost senzoru sahá až na extrémně nízké úrovně osvětlení, srovnatelné se slabým světlem hvězd – kolem 10⁻¹⁰ wattu na centimetr čtvereční. To otevírá dveře využití v astronomii a kosmonautice, kde jsou světelné podmínky minimální.
Co všechno půjde s takovou tepelnou kamerou dělat
Senzor rozšiřuje citlivostní rozsah standardní kamery zhruba z 0,4–0,7 mikrometru na 0,4–4,5 mikrometru. Jedna a tatáž kamera tak získá zcela nový „smysl", využitelný v celé řadě odvětví.
Průmysl a technika
- Inspekce potrubí a strojů za účelem včasného odhalení přehřátých součástek.
- Kontrola solárních panelů nebo plošných spojů na skryté vady.
- Bezpečné monitorování nebezpečných prostředí, například chemických provozů.
Protože senzor dokáže „vidět" skrze kouř, mlhu nebo určité materiály, odhalí problémy, které jsou v běžném světle neviditelné. Například úniky tepla za izolací nebo zkraty v uzavřených krytech.
Automobily, drony a chytré kamery
Pro automobilový průmysl může být takový senzor zásadním přínosem. Autonomní vozidla se potýkají s mlhou, deštěm, oslňujícím protisvětlem nebo tmou. Tepelná kamera přitom stále spolehlivě rozezná rozdíl mezi chladným vozovkou a teplým tělem – chodcem či zvířetem.
Drony by s touto technologií mohly provádět noční inspekce průmyslových areálů, zemědělských polí nebo lesních ploch, aniž by musely nést těžké chlazené kamery. Bezpečnostní kamery na budovách by získaly větší dosah, protože by přestaly být závislé na umělém osvětlení.
Medicína, zemědělství a domácí využití
V medicíně přináší tepelné zobrazování cennou dodatečnou vrstvu informací. Záněty, špatná prokrvení nebo hojení ran se často projevují jemnými teplotními rozdíly. Kompaktní senzor zabudovaný například do endoskopu nebo přenosného přístroje by umožnil lékaři tyto rozdíly okamžitě rozpoznat.
Zemědělci by pomocí tepelných snímků plodin dokázali dříve identifikovat stres způsobený suchem, nemocí nebo problémy s kořenovým systémem. Rostliny, které přijímají méně vody, se méně ochlazují odpařováním, a tepelně tak vyčnívají z okolí.
Samozřejmé je i domácí využití. Smartphone schopný vidět teplo pomůže odhalit tepelné úniky v domě, zkontrolovat přehřívající se nabíječku nebo najít domácího mazlíčka ve tmě.
Kdy to uvidíme v našich telefonech?
Výzkumníci zdůrazňují, že jejich návrh je postaven na stávající CMOS technologii. Přídavné vrstvy – kvantové tečky, izolátor, světelná vrstva – lze v zásadě nanést přímo na existující čipy. To činí sériovou výrobu reálnější než u mnoha dřívějších infračervených prototypů, které vyžadovaly zcela odlišný hardware.
| Vlastnost | Tradiční infračervená kamera | Nový senzor inspirovaný hadem |
|---|---|---|
| Chlazení | Často nutné, drahé a objemné | Nepotřebné, funguje při pokojové teplotě |
| Rozlišení | Relativně nízké | 4K (3840 × 2160) |
| Cena | Vysoká, úzký trh | Navrženo pro sériovou výrobu |
| Platforma | Specializované kamery | Kompatibilní se smartphony a bezpečnostními senzory |
Než se senzory skutečně dostanou do telefonů, budou je výrobci muset důkladně otestovat z hlediska odolnosti, spotřeby energie a bezpečnosti použitých materiálů. Sloučeniny rtuti obsažené v kvantových tečkách například vyžadují pečlivé zapouzdření, aby se předešlo zdravotním rizikům.
Co to znamená pro soukromí a bezpečnost?
Kamery schopné vnímat teplotní rozdíly přinášejí také nové otázky. Tepelný snímek může prozradit přítomnost lidí za tenkými stěnami, aktivitu v domácnosti nebo dokonce některé zdravotní informace. Legislativa a pravidla pro využívání termálních kamer přitom v mnoha zemích výrazně zaostávají za technologickým vývojem.
Pro běžné uživatele bude rozdíl mezi „zábavnou hračkou" a vážným sledovacím nástrojem záviset především na softwaru. Vývojáři aplikací rozhodují o tom, jaká data budou viditelná, jak přesná budou a zda snímky zůstanou anonymní. Filtry rozmazávající detaily nebo omezující rozlišení mohou pomoci zamezit zneužití.
Co vlastně infračervené záření je?
Infračervené záření je světlo s delší vlnovou délkou, než má viditelné červené světlo. Lidé ho nevidí, ale cítí ho jako teplo – například u infračervené lampy nebo táboráku. Každý předmět s teplotou vyšší než absolutní nula vyzařuje určité množství infračerveného záření; čím teplejší, tím intenzivnější a kratší vlnová délka.
Senzor zachycující rozsah od 0,4 do 4,5 mikrometru snímá jak odražené sluneční světlo, tak vyzářené teplo. Výsledkem je bohatý obraz plný detailů, které jsou lidskému oku zcela skryty.
V každodenním životě to znamená možnost odhalit tepelné úniky v domě, najít ucpání v podlahovém topení nebo jednoduše zjistit, která elektrická zařízení spotřebovávají proud – protože jsou teplejší než jejich okolí.
