1 دسامبر 2025، نیتیکا والتر -تصویر نمونه-گتی ایمیجز
یک پیشرفت جدید، دید حرارتی مارگونه را به حسگرهای دوربین روزمره میآورد و تصویربرداری مادون قرمز را به استفادهی رایج و کمهزینه نزدیکتر میکند.مارها از اندامهای حفرهای مخصوص برای تشخیص علائم گرما در تاریکی مطلق استفاده میکنند، چیزی که مهندسان ابرقدرت بیولوژیکی مدتهاست میخواهند آن را تکرار کنند.سیستمهای تصویربرداری مادون قرمز امروزی میتوانند به دستاوردهای مشابهی دست یابند، اما فقط با مواد گرانقیمت یا سختافزار خنککنندهی حجیم که قابلیت حمل را محدود میکند.
سنسورهای CMOS سیلیکونی استاندارد، که ستون فقرات دوربینهای گوشیهای هوشمند و مصرفکننده هستند، ارزان و همهجا حاضر هستند.اما آنها نمیتوانند نور مادون قرمز موج کوتاه یا موج متوسط را ببینند. این شکاف اساسی، تصویربرداری مادون قرمز با کارایی بالا را برای اکثر کاربردها دور از دسترس نگه داشته است.
اکنون، دانشمندان موسسه فناوری پکن یک سیستم “بینایی مار” مصنوعی توسعه دادهاند که این شکاف را پر میکند.آنها یک مبدل مادون قرمز به مرئی را مستقیماً روی یک تراشه CMOS استاندارد ادغام کردند و تصویربرداری مادون قرمز 4K را در دمای اتاق و بدون خنککننده پرهزینه امکانپذیر ساختند.
محققان گفتند: “برای اینکه به سیستمهای مصنوعی درک حرارتی مار مانند بدهیم، باید بر مشکلات نویز ذاتی در تشخیص مادون قرمز در دمای اتاق غلبه میکردیم.”
برای حل این مشکل، تیم با استفاده از نقاط کوانتومی کلوئیدی تلورید جیوه، یک “هتروجانکشن مانع” ساخت.
لایههای اضافی اکسید روی و یک پلیمر، مانعی را تشکیل میدهند که نویز حرارتی یا جریان تاریک را مسدود میکند، در حالی که همچنان به حاملهای سیگنال اجازه حرکت کارآمد میدهد.
این امر به حسگر اجازه میدهد بدون نیاز به خنککننده برودتی، به طول موجهای SWIR و MWIR حساس بماند، که یک تغییر بزرگ از آشکارسازهای IR سنتی است.
آنها همچنین یک ساختار ساطعکننده نور مشترک ایجاد کردند تا سیگنالهای مادون قرمز را به فوتونهای مرئی قابل خواندن توسط CMOS تبدیل کنند.با متعادل کردن حرکت الکترونها و حفرهها در داخل دستگاه، تیم به طور قابل توجهی راندمان تبدیل بالا را افزایش داد و ورودیهای ضعیف IR را به تصاویر روشن و واضح تبدیل کرد.
هنگامی که این سیستم بر روی یک ویفر CMOS استاندارد 8 اینچی ادغام شد، تصاویر مادون قرمز را با وضوح 3840 × 2160 با گام پیکسلی تنها 1.55 میکرون ثبت کرد.این سیستم میتواند از میان ویفرهای سیلیکونی عبور کند، توزیعهای حرارتی را تشخیص دهد و محیطهایی را که معمولاً برای حسگرهای استاندارد نامرئی هستند، تصویر کند.
این تیم گفت: “این فناوری مسیری کمهزینه و با کارایی بالا را برای تصویربرداری مادون قرمز باز میکند.”
آنها افزودند که گسترش تشخیص از نور مرئی به 4.5 میکرون “با گسترش طیف تا 14 برابر”، امکان دید در تمام شرایط آب و هوایی را فراهم میکند که قادر به نفوذ در مه و دود است.
پیامدهای این امر گسترده است. دید مادون قرمز 4K کمهزینه میتواند سیستمهای رانندگی خودکار نسل بعدی، ابزارهای بازرسی صنعتی، تشخیص پزشکی، تجهیزات دید در شب و دستگاههای تصویربرداری در سطح مصرفکننده را تقویت کند.همچنین میتواند هزینه سیستمهای SWIR و MWIR را که امروزه محدود به بخشهای دفاعی و صنعتی با بودجه بالا هستند، به طرز چشمگیری کاهش دهد.
محققان با تقلید از طرح بیولوژیکی اندامهای گودال مار و ترکیب آن با تولید نیمههادی، مسیری را به سوی دید حرارتی واقعاً قابل دسترس باز کردهاند.کار آنها قابلیتهای حسگری خارقالعاده دنیای طبیعی را به سختافزار کمهزینه و تولید انبوه نزدیکتر میکند.
این مطالعه در Light: Science & Applications منتشر شده است.
