Tynd film gør infrarøde mønstre aflæselige med et siliciumkamera

Et tyndt materiale kan fungere som mellemled mellem langbølget infrarød stråling og et kamera, der registrerer synligt lys. Forskere har nu demonstreret en billedsensor, hvor små temperaturændringer aflæses optisk i stedet for gennem elektriske forbindelser til hver sensorpixel.

Arbejdet blev offentliggjort 2. november i Light: Science & Applications. Holdet omfatter forskere fra Yale University samt Argonne og Brookhaven. Nyheden er især overgangen fra at registrere ét samlet signal til at gengive et rumligt mønster med adskilte målepunkter.

Varme ændrer filmens spejling

Sensoren kombinerer en siliciumnitridmembran, som absorberer infrarød stråling, med en lagdelt perovskit. Opvarmning ændrer perovskittens refleksion af grønt lys. Et siliciumbaseret CMOS-kamera registrerer derefter ændringen i det reflekterede lys.

Det er værd at holde de to slags lys adskilt. Den infrarøde stråling er det, forsøget ønsker at måle. Det grønne lys er et redskab til at læse målingen. Kameraet ser altså en synlig optisk reaktion fra sensoren, frem for selv at blive følsomt over for alle de infrarøde bølgelængder.

Princippet kan sammenlignes med at aflæse et termometer med et kamera. Kameraet behøver ikke selv måle temperaturen direkte, hvis et andet materiale omsætter temperaturændringen til noget synligt. Her sker aflæsningen gennem en lille ændring i refleksionen, og mange steder på filmen kan i princippet aflæses samtidig.

Det gør betegnelsen optisk aflæsning central. Den beskriver signalvejen i det nye sensorelement. Hele forsøgsopstillingen indeholder fortsat elektronisk udstyr, herunder kameraet. Resultatet er derfor ikke et kamera uden elektronik.

Varmen må ikke flyde ind i nabopixlen

En sammenhængende film giver et problem: Varme breder sig sidelæns og udvisker mønstret. Forskerne fremstillede derfor et gitter af termisk adskilte membranskiver. Den demonstrerede geometri havde skiver med 50 mikrometers diameter og 100 mikrometers afstand mellem pixelcentrene.

Det er en vigtig ingeniørmæssig afvejning. Sensoren skal blive varm nok til at give et signal, men den må ikke overføre så meget varme til naboen, at to forskellige steder ser ens ud. Samtidig skal varmen kunne forsvinde igen, så en efterfølgende måling ikke blot viser spor af den foregående.

Flere billedpunkter er derfor ikke alene et spørgsmål om at bruge et kamera med flere megapixel. Det afgørende er også, hvor mange uafhængige målepunkter selve sensoren leverer. Hvis varmen flyder mellem dem, kan en skarpere kamerachip ikke genskabe den information, der allerede er blevet udvisket.

Testet med et infrarødt lasermønster

Holdet brugte en laser ved 9,5 mikrometer og projicerede et mønster gennem en maske. Opstillingen sammenlignede billeder med og uden infrarød belysning. Forsøgene blev udført ved stuetemperatur.

Det er en kontrolleret demonstration af billeddannelse. Det er ikke det samme som at filme vilkårlige personer, bygninger eller maskiner gennem et færdigt håndholdt varmekamera. Et laboratoriemønster gør det muligt at undersøge, om systemet gengiver formen, uden at alle udfordringer ved en virkelig scene blandes ind i samme test.

Der er stadig ekstra komponenter omkring filmen. Forfatterne fremhæver selv behovet for en mekanisk lysafbryder, struktureret belysning og billedoptik som en kilde til kompleksitet. Den optiske belysning skal desuden passe til sensorens gitter.

Et nyt designprincip skal vurderes som et helt system

Muligheden er at flytte en del af arbejdet fra tætte elektriske forbindelser til optisk aflæsning. Det kan åbne andre måder at bygge en infrarød sensor på. Men en enklere delkomponent er ikke automatisk et enklere samlet apparat.

En praktisk vurdering må også omfatte plads, strømforbrug, justering og stabilitet. Hvis en besparelse ved sensoren kræver mere krævende optik omkring den, skal begge dele tælles med. Studiet giver et konkret grundlag for at arbejde videre med den balance.

Det dokumenterede fremskridt er et kontrolleret fysisk forsøg i laboratoriet med optisk aflæste, adskilte infrarøde billedpunkter. Vejen til et kompakt instrument kræver, at hele målekæden fungerer pålideligt sammen.