Rewolucja w optoelektronice niszczy monopol drogich kamer: Tanie czujniki termowizyjne trafią do każdego smartfona

Fizyczne bariery, które przez pół wieku windowały ceny

Od momentu opracowania pierwszych sensorów podczerwieni w połowie ubiegłego stulecia technologia termowizyjna pozostawała jedną z najdroższych i najbardziej ekskluzywnych dziedzin inżynierii optycznej. Podczas gdy tradycyjne matryce fotograficzne CMOS ulegały niewiarygodnej miniaturyzacji, a ich ceny spadały do ułamka centa za megapisel, kamery termowizyjne wciąż kosztowały od kilku do kilkudziesięciu tysięcy złotych. Przyczyną tego stanu rzeczy były fundamentalne ograniczenia termodynamiczne.

Fotony średniej i dalekiej podczerwieni niosą ze sobą zbyt mało energii, by wzbudzić elektrony w standardowej strukturze krystalicznej krzemu. Wymagało to stosowania egzotycznych, toksycznych materiałów, takich jak tellurek rtęciowo-kadmowy (MCT) lub tlenek wanadu (VOx), a w przypadku najbardziej czułych sensorów wojskowych – skomplikowanego chłodzenia kriogenicznego przy użyciu miniaturowych silników Stirlinga. Nawet niechłodzone matryce mikrobolometryczne wymagały precyzyjnego zawieszenia mikroskopijnych membran w próżniowych obudowach ceramicznych, co drastycznie ograniczało wydajność linii produkcyjnych.

Nanomateriały 2D i mechanizm konwersji w górę energii fotonów

Przełom zaprezentowany w najnowszych badaniach zespołów fizyków ciała stałego całkowicie odrzuca konieczność pomiaru oporu cieplnego membran bolometrycznych. Zamiast tego naukowcy opracowali ultracienką, nanometrową warstwę hybrydowych materiałów dwuwymiarowych, opartych na dichalkogenkach metali przejściowych oraz kropkach kwantowych, którą można nanosić bezpośrednio na powierzchnię standardowej matrycy światłoczułej w powszechnie stosowanym procesie litografii CMOS.

Mechanizm działania opiera się na nieliniowym zjawisku konwersji w górę (upconversion). Padające na nanostrukturę fotony podczerwieni łączą się z energią fotonów z miniaturowego, wbudowanego lasera pompującego, przekształcając się w fotony pasma widzialnego. W efekcie standardowy piksel krzemowy, który normalnie rejestruje jedynie światło zielone lub czerwone, rejestruje sygnaturę cieplną z niemal zerowym opóźnieniem i bez konieczności stosowania próżniowej hermetyzacji.

Od diagnostyki medycznej po autonomiczne pojazdy

Implikacje komercyjne tego odkrycia są trudne do przecenienia. Koszt modułu termowizyjnego o rozdzielczości Full HD spada z obecnych tysięcy dolarów do poziomu poniżej 5 dolarów za sztukę. Oznacza to, że zaawansowana kamera termowizyjna stanie się standardowym elementem wyposażenia smartfonów ze średniej półki cenowej, tuż obok obiektywu ultraszerokokątnego.

Zastosowania konsumenckie to zaledwie wierzchołek góry lodowej. W medycynie domowej smartfon pozwoli na natychmiastowe wykrywanie stanów zapalnych skóry, zaburzeń krążenia obwodowego czy wczesnych objawów infekcji dróg oddechowych bez kontaktu z ciałem pacjenta. W budownictwie każdy właściciel domu będzie mógł samodzielnie zlokalizować mostki termiczne, nieszczelności izolacji oraz przegrzewające się przewody w ścianach przed wybuchem pożaru.

Nowa era bezpieczeństwa ruchu drogowego i dronów ratowniczych

Prawdziwa rewolucja dotknie jednak systemy autonomicznego prowadzenia pojazdów ADAS oraz robotykę. Obecne systemy oparte na tradycyjnych kamerach i lidarach drastycznie tracą skuteczność w gęstej mgle, ulewnym deszczu, śnieżycy czy przy oślepieniu światłami nadjeżdżających pojazdów. Tani sensor podczerwieni dalekiej pozwala na bezbłędne wykrycie pieszego, rowerzysty lub dzikiego zwierzęcia z odległości kilkuset metrów w absolutnej ciemności.

Równie spektakularny skok wykonają miniaturowe drony ratownicze i rolnicze. Lekkie bezzałogowce ważące mniej niż 250 gramów, dotychczas niezdolne do udźwignięcia ciężkich kamer termowizyjnych, zyskają zdolność lokalizowania zaginionych osób w gęstym lesie czy precyzyjnego monitorowania wilgotności upraw. Przełom w optoelektronice udowadnia, że najgłębsze rewolucje technologiczne rodzą się na styku fizyki kwantowej i inżynierii materiałowej, burząc dotychczasowe monopole rynkowe.