Wetenschappers in China hebben een baanbrekend kunstmatig beeldvormingssysteem ontwikkeld, geïnspireerd door slangen, die de hitte kunnen ‘zien’ die hun prooi uitstraalt in totale duisternis. De sensor legt infraroodbeelden met ultrahoge resolutie vast in 4K-resolutie en kan de basis vormen voor ultragoedkope camera’s van maximale kwaliteit voor zowel fotocamera’s als smartphones.
Elk object met een temperatuur boven het absolute nulpunt (-273 graden Celsius) zendt enige elektromagnetische straling uit. Bij normale lichaamswarmte heeft deze een golflengte in het infraroodgebied. Het menselijk oog kan alleen kortere golflengten waarnemen, die tot het zichtbare lichtspectrum behoren.
Slangen kunnen ook zichtbaar licht zien, maar sommige soorten, zoals adders van het geslacht Crotalinae, hebben een speciaal warmtegevoelig orgaan naast hun neusgaten dat deskundigen een ‘put’ noemen waarmee ze infraroodstraling met een langere golflengte kunnen visualiseren. Dit orgaan bestaat uit een holle holte met daarin een dun membraan gespannen. Wanneer de infraroodgolven specifieke delen van het membraan verwarmen, wordt via de aangesloten zenuwen een thermisch beeld naar de hersenen gestuurd.
Wetenschappers van het Beijing Institute of Technology gebruikten dit idee om hun eigen infrarooddetectiesysteem te creëren. Ze stapelden lagen van verschillende materialen op een 8-inch schijf, waar de straling doorheen gaat totdat deze wordt omgezet in een hoogwaardig beeld dat zichtbaar is voor het menselijk oog. Het systeem wordt beschreven in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Light: Science & Applications.
De eerste laag van het beeldvormingssysteem is een infrarooddetectielaag, bestaande uit zogenaamde ‘colloïdale kwantumdots’. Dit zijn extreem kleine nanodeeltjes van kwik- en telluriumatomen, die elektrische ladingen vrijgeven wanneer ze infraroodstraling absorberen. Deze ladingen passeren vervolgens verschillende lagen van ruisonderdrukking en komen terecht in een laag van organische lichtgevende dioden, ook wel een “anode-omzetter” genoemd.
Daar komen elektronen “gaten” (elektronengaten) tegen en komen energie vrij, die fosforescerende moleculen omzetten in groen, zichtbaar licht. Uiteindelijk bereikt het zichtbare licht de CMOS-laag en wordt het omgezet in een beeld.
Het is het eerste systeem dat infraroodstraling met een korte en middellange golflengte (1,1 tot 5 micrometer) kan omzetten in een beeld met ultrahoge resolutie bij kamertemperatuur. Omdat de CMOS-sensor zich direct boven de transducer bevindt, worden zwakkere infraroodsignalen opgevangen voordat ze door ruis worden overstemd. In andere systemen, waar de CMOS-sensor en de converter gescheiden zijn, is nauwkeurige cryogene koeling vereist om ruisopbouw te voorkomen wanneer signalen tussen de sensoren worden overgedragen.
Het vermogen om infraroodstraling te detecteren breidt het golflengtebereik dat mensen kunnen “zien” effectief uit met meer dan 14 keer. Een camera die met deze technologie is uitgerust, kan hete objecten detecteren bij weinig licht, zoals in mist, rook of ‘s nachts.
“Het uitbreiden van kunstmatig zicht naar het infraroodspectrum zou onder alle weersomstandigheden kunnen werken, dag en nacht, ongeacht extreem weer, en toepassingen kunnen vinden op nieuwe gebieden zoals industriële inspectie, voedselveiligheid, gasdetectie, landbouwwetenschap en autonoom rijden,” schreven de onderzoekers in het onderzoek.
Ze voegden eraan toe dat tientallen miljoenen pixels met behulp van hun systeem tegen extreem lage kosten zouden kunnen worden gerealiseerd, waardoor de technologie in de toekomst beter haalbaar zou worden voor consumentencamera’s en smartphones. Deze apparaten maken immers al gebruik van standaard silicium CMOS-sensoren waarop de extra lagen kunnen worden aangebracht.
