Китайская команда разработчиков добилась того, что обычный датчик может видеть инфракрасное излучение в формате 4K без какого-либо охлаждения.
Природа миллионы лет дает нам идеи. Хороший пример — сами змеи, которые могут видеть тепло благодаря так называемым фосэтам. Это небольшие органы, чувствительные к теплу, которые функционируют как тепловые детекторы, поскольку улавливают инфракрасное излучение, испускаемое теплыми телами. Таким образом, они могут видеть тепло добычи даже в темноте.
Для этих животных температура действует как изображение, которое показывает им, где находится их следующий обед. Именно эта способность на протяжении десятилетий вдохновляет ученых, стремящихся создать камеры, способные видеть больше, чем видит человеческий глаз.
Камера, позволяющая видеть сквозь туман, дым или определенные материалы
В нашем обществе спрос на инфракрасное видение постоянно растет. Автономные автомобили должны видеть в тумане, фабрики хотят обнаруживать дефекты, которые не видны невооруженным глазом, а службы безопасности часто работают в условиях плохого освещения. Однако у современных инфракрасных камер есть одна проблема.
Хорошие камеры используют очень дорогие материалы или нуждаются в больших и холодных системах, чтобы работать без лишнего шума. Между тем, датчики, которые мы находим в мобильных телефонах и камерах, не способны видеть инфракрасное излучение. Именно поэтому мы должны обратиться к исследованию, опубликованному в научном журнале Light: Science & Applications.
В исследовании представлена группа ученых из Пекинского технологического института и система, вдохновленная змеями, которая позволяет обычному датчику, такому как в вашем телефоне, видеть инфракрасное излучение в 4K. Кроме того, она способна работать при комнатной температуре, без необходимости охлаждения.
Раньше большой проблемой был шум, возникающий из-за собственного тепла датчика, который портил инфракрасные изображения. Чтобы этого избежать, китайские ученые разработали специальную структуру с квантовыми точками, крошечными наночастицами из полупроводниковых материалов, и слоями оксида цинка и полимеров. Эта комбинация действует как фильтр, который блокирует шум и пропускает только реальный сигнал.
Однако видеть инфракрасное излучение было недостаточно. Необходимо было преобразовать его в обычное изображение, которое мог бы уловить кремниевый датчик. Для этого исследователи добавили слой, который преобразует инфракрасный сигнал в видимый свет. Этот слой состоит из нескольких материалов, которые работают вместе, чтобы уравновесить движение электронов внутри устройства.
Когда баланс хороший, даже очень слабые инфракрасные сигналы преобразуются в четкие и яркие изображения. Вся эта система была интегрирована в 8-дюймовую кремниевую пластину CMOS, такую же, как те, что используются в камерах. Необычно то, что каждый пиксель имеет размер всего 1,55 микрона, что позволяет получать исключительно четкие тепловые изображения, а датчик может видеть сквозь эту пластину.
Результат — это не только техническое усовершенствование, но и важное изменение. Теперь обычная камера может видеть как видимый спектр света, так и инфракрасный до 4,5 микрометров. На практике это означает, что она может видеть сквозь туман, дым или определенные материалы и работать практически в любой ситуации.
Тепловое зрение, которое дает нам природа
Как можно себе представить, это может революционизировать многие отрасли. Заводы смогут обнаруживать неисправности по температуре без специальных машин. Автономные автомобили получат дополнительное зрение для сложных условий. А в медицине точные тепловизионные камеры станут портативными и более дешевыми.
Команда подводит итоги своего исследования, заявляя, что эта технология может сделать высококачественные инфракрасные камеры дешевыми и простыми в использовании для любого. Конечно, еще предстоит доработать и наладить крупномасштабное производство, но идея доказала свою работоспособность. То, что несколько лет назад было лишь экспериментом, теперь стало реальным прототипом, который может поступить на рынок.
И эта идея возникла не случайно. Уже много лет биомиметическая инженерия изучает, как имитировать животных для создания новых технологий. Эволюция совершенствовала решения на протяжении миллионов лет, поэтому наблюдение за природой — это как заглянуть в лабораторию, которая никогда не спит.
В данном случае вдохновение пришло от змей и их ямок, но завтра оно может прийти от других животных. Важно то, что теперь мы можем воплотить эти идеи в реальных и доступных устройствах. Долгое время высококачественное инфракрасное зрение было уделом дорогого и специализированного оборудования, но сегодня эта технология может быть интегрирована в массово производимые датчики.
То, что камера может видеть тепло так же, как змея, знаменует собой переломный момент в том, как мы наблюдаем за окружающей средой. Эта технология меняет наше понимание изображений и то, как мы ориентируемся в мире. Таким образом, мы стоим на пороге новой эпохи, в которой граница между видимым и невидимым будет становиться все более размытой. И мы должны благодарить природу за то, что она нас вдохновляет.