Vědcům se podařilo vyvinout teplotní senzor přímo pro váš kapesní telefon
Výzkumný tým zkonstruoval kamerový senzor, který dokáže přeměnit teplo v dokonale ostrý obraz — bez chlazení a dostatečně malý na to, aby se vešel do smartphonu.
Technologie inspirovaná „tepelným zrakem" hadů umí přeměnit infračervené záření přímo na viditelný obraz ve 4K rozlišení. Dostupná tepelná kamera pro běžné spotřebitele, automobily i medicínu je najednou blíže než kdy dřív.
Od drahé vojenské kamery až do kapsy kalhot
Dosud infračervené zobrazování patřilo převážně do světa vojenských nočních kamer, průmyslových přístrojů a specializovaných laboratoří. Takové systémy jsou rozměrné, nákladné a ke svému fungování zpravidla vyžadují chlazení tekutým dusíkem nebo složitými chladicími elementy.
Vědci z Pekingského technologického institutu a Changchunského institutu optiky nyní předvedli něco zcela jiného: tenkou vrstvu nanesenou na standardní CMOS kamerový čip — tedy typ čipu, který se dnes nachází v každém mobilním telefonu — jež přeměňuje infračervené záření na viditelné světlo. Bez jakéhokoli chlazení a s rozlišením 3840×2160 pixelů, tedy plnohodnotným 4K.
Nový senzor přeměňuje neviditelné teplo na zelené světlo, které dokáže zachytit běžný kamerový čip.
To výrazně zmenšuje vzdálenost mezi laboratoří a každodenní elektronikou. Výrobci nepotřebují vyvíjet úplně nový typ kamery — mohou využít stejný výrobní postup, který už dnes používají pro miliardy smartphonů.
Jak hadi vidí teplo a co z toho inženýři převzali
Některé druhy hadů, například chřestýši nebo určité druhy pytónů, dokážou ve tmě najít kořist díky speciálním teplocitlivým orgánům umístěným mezi očima a nozdrami. Tyto dutiny obsahují tenkou blanku, která registruje i minimální rozdíly teplot.
Pokud se v blízkosti nacházejí teplokrevní živočichové, jejich teplejší části těla se na té blance projeví jako výrazné „skvrny". Nervové impulzy přenášejí tuto informaci do mozku, kde se spojuje s běžným vizuálním vjemem. Vzniká tak dvojitý obraz — normální zrak doplněný o tepelnou mapu.
Výzkumníci použili tento princip jako předlohu. Jejich systém rovněž tvoří tenká citlivá vrstva, která zachycuje infračervené záření a přeměňuje ho na signál zpracovatelný „mozkem" — v tomto případě kamerovým čipem.
Od hadí blanky k nanomateriálu
Místo biologické blanky vědci využívají nanočástice zvané kvantové tečky na bázi teluridu rtuťnatého (HgTe). Přesným nastavením velikosti těchto částic jsou schopni senzor doladit 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 objekty.
- V obou případech vzniká vzor nesoucí informaci o rozložení tepla v okolí.
Zásadním krokem bylo potlačení rušivých signálů. Senzor se sám mírně zahřívá, což může generovat šum — tzv. „temný proud". Aby tento šum omezili, přidali výzkumníci izolační vrstvu z oxidu zinečnatého a speciálního polymeru (P3HT). Ta propouští žádoucí signál, ale blokuje velkou část vnitřního šumu.
Trik se světlem: teplo se nejdřív přemění, teprve pak natočí
Tento senzor nefunguje jako většina současných infračervených kamer, které přímo načítají elektrické signály. Vědci sem přidali jeden navíc: elektrický infračervený signál se nejprve přemění na viditelné světlo, a to pak načítá podkladový CMOS čip.
Nad vrstvou kvantových teček leží materiály s fosforescenčními vlastnostmi, včetně sloučeniny iridia. Jakmile kvantové tečky zachytí infračervené záření a převedou ho na elektrický signál, světélkující vrstva vyzáří stabilní zelené světlo ve stejném vzoru. Kamera pod ní tak snímá normální zelený obraz, v němž je tepelná informace vizuálně přímo zakódována.
Přeměnou tepla na zelené světlo může každý standardní kamerový čip náhle získat „noční oči".
Podle výzkumníků dosahuje systém foton-foton účinnosti přes 6 procent v blízkém infračerveném spektru. To může znít nízko, ale pro tento typ technologie jde o překvapivě vysokou hodnotu — zvláště bez chlazení.
4K tepelný obraz i při světle hvězd
Výsledky senzoru jsou pozoruhodné. Dosahuje 4K rozlišení a je funkční jak v blízkém infračerveném pásmu (SWIR), tak ve středovlnném pásmu (MWIR) — dvou klíčových oblastech pro tepelné zobrazování.
Pro charakterizaci jasu vědci používají jednotku kandela na čtvereční metr. Senzor dosahuje přibližně 6 388 cd/m² v blízkém infračerveném pásmu a 1 311 cd/m² ve středovlnném pásmu. To zajišťuje jasný obraz i při velmi slabém infračerveném záření.
Pozoruhodný je také dynamický rozsah — přibližně 38 decibelů v blízkém a 33 decibelů ve středovlnném infračerveném pásmu. Zjednodušeně řečeno: kamera dokáže zachytit velmi světlé i velmi tmavé detaily v jediném záběru, aniž by některé části přesvítila nebo ztratila.
Citlivost sahá až na extrémně nízké úrovně osvětlení srovnatelné se slabým světlem hvězd — přibližně 10⁻¹⁰ W/cm². To otevírá dveře pro využití v astronomii a kosmonautice, kde jsou světelné podmínky minimální.
Co všechno půjde s tepelnou kamerou dělat
Senzor rozšiřuje citlivostní rozsah standardní kamery z přibližně 0,4–0,7 mikrometru na 0,4–4,5 mikrometru. Jedna a tatáž kamera tak získá zcela nový „smysl". To přináší praktická využití napříč celou řadou odvětví.
Průmysl a technika
- Inspekce potrubí a strojů za účelem včasného odhalení přehřátých součástí.
- Kontrola solárních panelů nebo desek plošných spojů na skryté závady.
- Bezpečné sledování nebezpečného prostředí, například chemických provozů.
Protože senzor dokáže vidět skrze kouř, mlhu nebo určité materiály, odhaluje problémy, které jsou v běžném světle zcela neviditelné — například úniky za izolací nebo zkraty v uzavřených krytech.
Auta, drony a chytré kamery
Pro automobilový průmysl může být takový senzor zásadním přelomem. Autonomní vozidla mají problém s mlhou, deštěm, ostrým protisvětlem nebo tmou. Tepelná kamera přesto spolehlivě rozlišuje studený asfalt od teplého těla — chodce nebo zvířete.
Drony vybavené touto technologií by mohly provádět noční inspekce průmyslových areálů, zemědělských polí nebo lesů, 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 vrstvu informací navíc. Záněty, špatné prokrvení nebo hojení ran se projevují jemnými teplotními rozdíly. Kompaktní senzor zabudovaný třeba do endoskopu nebo přenosného přístroje umožní lékaři tyto rozdíly přímo sledovat.
Zemědělci by mohli pomocí tepelných snímků plodin dříve odhalit stres způsobený suchem, nemocí nebo problémy s kořeny. Rostliny, které přijímají méně vody, se méně ochlazují výparem, a jsou tak tepelně nápadnější.
Myslitelné je i domácí využití: smartphone, který vidí teplo, pomůže odhalit tepelné úniky v domě, zkontrolovat přehřátou nabíječku nebo najít domácího mazlíčka ve tmě.
Jak brzy se to objeví v našem telefonu?
Výzkumníci zdůrazňují, že jejich návrh funguje na stávající CMOS technologii. Přídavné vrstvy — kvantové tečky, izolátor, světélkující vrstva — lze v zásadě nanést přímo na existující čipy. To dělá 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 | Není potřeba, 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, musí výrobci důkladně otestovat jejich odolnost, spotřebu energie a bezpečnost použitých materiálů. Sloučeniny rtuti obsažené v kvantových tečkách například vyžadují pečlivé zapouzdření, aby bylo vyloučeno jakékoli riziko.
Co to znamená pro soukromí a bezpečnost?
Kamery schopné vidět tepelné rozdíly přinášejí i nové otázky. Tepelný snímek může prozradit přítomnost lidí za tenkými zdmi, aktivitu v domácnosti nebo dokonce zdravotní stav. Legislativa a pravidla pro používání termálních kamer v mnoha zemích za technologickým vývojem stále zaostávají.
Pro spotřebitele bude rozdíl mezi „zajímavou hračkou" a seriózním senzorem spočívat především v softwaru. Tvůrci aplikací rozhodnou, jaká data budou viditelná, jak přesná budou a zda snímky zůstanou anonymní. Filtry rozmazávající detaily nebo omezující rozlišení mohou pomoci zamezit zneužití.
Užitečné pozadí: co přesně je infračervené záření?
Infračervené záření je světlo s delší vlnovou délkou, než má viditelné červené světlo. Lidé ho nevidí, ale vnímají ho jako teplo — například u infračervené lampy nebo táboráku. Každý objekt s teplotou nad absolutní nulou vyzařuje určité množství infračerveného záření; čím je teplejší, tím silnější a kratší vlnové délky záření vydává.
Senzor zachycující rozsah od 0,4 do 4,5 mikrometru snímá jak odražené sluneční světlo, tak vyzařované teplo. Vzniká tak bohatý obraz odhalující detaily, které jsou pouhým okem zcela skryté.
V každodenním životě to lze využít k odhalení tepelných úniků v domech, nalezení ucpání v podlahovém topení nebo prostému zjištění, která elektrická zařízení spotřebovávají energii — protože jsou teplejší než jejich okolí.
