چشم انسان تنها توانایی دیدن طولموجهای نور مرئی را دارد، اما امروزه با ظهور یک سیستم تصویربرداری نوین، امکان مشاهده پرتوهای فروسرخ (IR) با استفاده از گوشیهای هوشمند فراهم شده است.
محققان چینی با الهام از مارهایی که میتوانند گرمای بدن شکار خود را در تاریکی شناسایی کنند، سیستمی را ایجاد کردند که تصاویر فروسرخ را با کیفیت بالا و رزولوشن ۴K ضبط میکند، معیاری که با دوربین آیفون ۱۷ پرو برابری میکند.
هر جسمی که دمایی بالاتر از صفر مطلق داشته باشد، مقداری تابش الکترومغناطیسی منتشر میکند. برای گرمای بدن انسان، این تابش در محدوده فروسرخ قرار دارد، در حالی که چشم ما تنها قادر به دیدن نور مرئی است.
مارها نیز توانایی دیدن نور مرئی را دارند، اما برخی از گونهها مانند افعیها (Crotalinae) دارای اندامهایی خاص برای حس گرما نزدیک به بینی هستند که تابش فروسرخ با طول موج بلندتر را به تصویری قابل مشاهده تبدیل میکند. این اندام توخالی است و دارای غشای نازکی است؛ وقتی پرتوهای فروسرخ بخشهایی از غشا را گرم میکنند، اطلاعات حرارتی از طریق عصبها به مغز منتقل میشود.
پژوهشگران موسسه فناوری پکن از این مفهوم برای توسعه یک سیستم تصویربرداری مصنوعی فروسرخ استفاده کردند. آنها لایههای مختلفی را روی یک دیسک ۸ اینچی قرار دادند تا تابش فروسرخ از آن عبور کند و در پایان به تصویری با کیفیتی قابل درک توسط چشم انسان تبدیل شود. این سیستم در مقالهای که در تاریخ ۲۰ اوت در ژورنال Light: Science & Applications منتشر شد، به معرفی داده شد.
لایه اول سیستم، حسگر فروسرخ است که از نقاط کوانتومی کلوئیدی (colloidal quantum dots) ساخته شده است. این نانوذرات بسیار ریز از جیوه و تلوریم به وجود میآیند و در هنگام جذب تابش فروسرخ، بار الکتریکی تولید میکنند. این بارها از لایههای کاهشدهنده نویز عبور کرده و به لایه الایدی آلی موسوم به مبدل بالابر (upconverter) میرسند.
در این لایه، الکترونها با حفرههایی در تعامل قرار میگیرند و انرژی آزاد میکنند که باعث میشود مولکولهای فسفرسان این انرژی را به نور سبز قابل مشاهده تبدیل کنند. در ادامه، این نور به لایه CMOS میرسد و به تصویر نهایی تبدیل میشود.
کاربرد در گوشیها و دوربینها
این اولین سیستمی است که توانایی تبدیل فروسرخ با طول موج ۱.۱ تا ۵ میکرومتر در دمای اتاق به تصویری با کیفیت بسیار بالا را دارد. به دلیل آنکه حسگر CMOS مستقیماً روی مبدل بالابر قرار گرفته، سیگنالهای ضعیف قبل از اینکه نویز روی آنها اثر بگذارد ثبت میشوند. در سایر سیستمها، CMOS و upconverter به هم متصل نیستند و برای جلوگیری از نویز، به سیستم خنکسازی پرهزینهای نیاز است.
توانایی شناسایی فروسرخ، دامنه طولموج قابل مشاهده برای انسان را بیش از ۱۴ برابر افزایش میدهد. دوربینی که از این فناوری بهره میبرد میتواند اشیای گرم را در شرایط نور کم، مه، دود یا شب به راحتی شناسایی کند.
محققان بیان میکنند:
این دید مصنوعی به ما امکان میدهد در تمامی شرایط جوی، روز یا شب، حتی در وضعیتهای جوی سخت، از این فناوری بهره بگیریم و در مراحل مختلف صنعتی، ایمنی مواد غذایی، حسگرهای گاز، علوم کشاورزی و خودروهای خودران مفید واقع شود.
آنها همچنین تأکید کردند که با بهرهگیری از این سیستم، میلیونها پیکسل بهراحتی و با هزینهای نسبتاً پایین قابل تولید خواهد بود و بنابراین میتواند در آینده در دوربینها و گوشیهای هوشمند به کار گرفته شود.
در واقع، این سیستم بر روی حسگرهای CMOS فعلی قابل نصب است و نیاز به تغییرات بنیادی در ساختار گوشیها ندارد.