Специалистам из Пекинского технологического института удалось обойти фундаментальное физическое ограничение и научить стандартные кремниевые матрицы фиксировать тепловое излучение.
Новая архитектура сенсора, использующая принципы биологического зрения змей, позволяет вести съёмку в инфракрасном диапазоне разрешением 4K без сложного охлаждающего оборудования.
Это открытие может кардинально изменить рынок, сделав технологии ночного видения доступными для массового потребителя.
Читайте: Спрятаться на виду – Захватывающая история военного камуфляжа
Бионика на службе электроники
Способность ямкоголовых змей охотиться в полной темноте, ориентируясь исключительно на тепловые сигнатуры жертв, давно не даёт покоя инженерам.
Безусловно, современные оптико-электронные системы уже способны повторять этот трюк, однако цена вопроса остаётся запретительно высокой.
Традиционные ИК-камеры требуют либо использования экзотических и дорогих материалов (вроде арсенида индия-галлия). Либо громоздких систем криогенного охлаждения, что ставит крест на их портативности.
С другой стороны, существует кремний — дешёвая основа всех камер в смартфонах и бытовой технике. Но у него есть критический недостаток: он абсолютно «слеп» в коротковолновом и средневолновом инфракрасном диапазоне.
Китайские физики предложили изящное решение этой дилеммы: вместо создания нового дорогого сенсора интегрировали специальный преобразователь частоты (апконвертер) напрямую в структуру стандартного КМОП-чипа.
Технологический барьер
«Главная сложность при создании искусственного аналога змеиного зрения — это борьба с шумами, неизбежно возникающими при работе с ИК-спектром в тепле», — поясняют исследователи.
Выходом из тупика стало создание особого «барьерного гетероперехода» на базе коллоидных квантовых точек из теллурида ртути.
Дополнительные слои оксида цинка и полимера здесь выполняют роль фильтра: они эффективно блокируют так называемый темновой ток (тепловой шум), но беспрепятственно пропускают носители полезного сигнала.
Такая конструкция позволяет сенсору сохранять высокую чувствительность к SWIR и MWIR волнам прямо при комнатной температуре, что для классических детекторов практически недостижимо.
Любопытно, как именно происходит считывание: внутри чипа работает ко-локализованная светоизлучающая структура. Она перехватывает невидимые инфракрасные фотоны и тут же переизлучает их в видимом диапазоне, понятном обычной кремниевой матрице.
Балансировка движения электронов и дырок в этой системе позволила кратно повысить эффективность преобразования, превращая слабые тепловые сигналы в чёткую картинку.
Перспективы внедрения
Результаты впечатляют: интегрированная на стандартную 8-дюймовую пластину система выдаёт изображение с разрешением 3840 × 2160 пикселей при шаге пикселя всего 1,55 мкм.
На практике это означает способность видеть сквозь кремниевые пластины, детектировать распределение тепла в микроэлектронике и работать в условиях, когда обычная оптика бессильна.
Авторы работы подчёркивают, что расширение рабочего диапазона до 4,5 мкм — фактически в 14 раз шире видимого спектра — обеспечивает «всепогодное зрение», способное пробивать туман и плотное задымление.
Подобная технология, избавленная от дорогих военных тепловизоров, открывает дорогу новому поколению автопилотов, систем промышленной дефектоскопии и медицинской диагностики.
То, что ещё вчера было прерогативой оборонного комплекса и высокобюджетной промышленности, благодаря «змеиным» технологиям становится массовым продуктом.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU