چشم انسان تنها طول‌موج‌های نور مرئی را می‌بیند، اما حالا یک سیستم تصویربرداری جدید اجازه می‌دهد با گوشی‌های هوشمند، پرتوهای فروسرخ (IR) را هم مشاهده کنیم.

دانشمندان چینی با الهام از مارهایی که قادرند گرمای بدن شکارشان را در تاریکی تشخیص دهند، سیستمی ساختند که تصاویر فروسرخ را با کیفیت بسیار بالا و رزولوشن ۴K ثبت می‌کند، کیفیتی برابر با دوربین آیفون ۱۷ پرو.

هر جسمی که دمایی بالاتر از صفر مطلق داشته باشد، مقداری تابش الکترومغناطیسی ساطع می‌کند. برای گرمای بدن انسان، طول‌موج این تابش در محدوده فروسرخ است، در حالی که چشم ما تنها نور مرئی را می‌بیند.

مارها هم نور مرئی را می‌بینند، اما بعضی گونه‌ها مانند افعی‌ها (Crotalinae) دارای اندام ویژه حسگر حرارت در نزدیکی بینی هستند که تابش فروسرخ با طول موج بلندتر را به تصویر تبدیل می‌کند. این اندام، حفره‌ای توخالی با غشای نازک است؛ وقتی پرتوهای فروسرخ قسمت‌هایی از غشا را گرم می‌کنند، اطلاعات حرارتی از طریق اعصاب به مغز ارسال می‌شود.

پژوهشگران موسسه فناوری پکن این ایده را برای ساخت یک سیستم تصویربرداری فروسرخ مصنوعی به کار گرفتند. آن‌ها لایه‌های مختلفی را روی یک دیسک ۸ اینچی قرار دادند تا تابش فروسرخ عبور کند و در نهایت به تصویری باکیفیت که چشم انسان قادر به دیدن آن است، تبدیل شود. این سیستم در مقاله‌ای که ۲۰ اوت در ژورنال Light: Science & Applications منتشر شد، معرفی شده است.

لایه اول این سیستم، حسگر فروسرخ است که از نقاط کوانتومی کلوئیدی (colloidal quantum dots) ساخته شده، نانوذراتی بسیار کوچک از جیوه و تلوریم که هنگام جذب تابش فروسرخ بار الکتریکی تولید می‌کنند. این بارها از لایه‌های کاهش‌دهنده نویز عبور کرده و به لایه LED آلی موسوم به مبدل بالابر (upconverter) می‌رسند.

در این لایه، الکترون‌ها با حفره‌ها برخورد کرده و انرژی آزاد می‌کنند، که مولکول‌های فسفرسان آن را به نور سبز قابل مشاهده تبدیل می‌کنند. سپس این نور به لایه CMOS می‌رسد و به تصویر نهایی تبدیل می‌شود.

کاربرد در گوشی‌ها و دوربین‌ها

این اولین سیستمی است که می‌تواند فروسرخ با طول موج ۱.۱ تا ۵ میکرومتر را در دمای اتاق به تصویر فوق‌العاده با کیفیت تبدیل کند. چون حسگر CMOS مستقیماً روی مبدل بالابر قرار دارد، سیگنال‌های ضعیف قبل از اینکه نویز آن‌ها را مختل کند ثبت می‌شوند. در دیگر سیستم‌ها، CMOS و upconverter از هم جدا هستند و برای جلوگیری از نویز باید هزینه بالای خنک‌سازی را متحمل شد.

توانایی دیدن فروسرخ، محدوده طول‌موج قابل مشاهده برای انسان را بیش از ۱۴ برابر افزایش می‌دهد. دوربینی با این فناوری می‌تواند اجسام گرم را در نور کم، مه، دود یا شب تشخیص دهد.

پژوهشگران می‌گویند:

این دید مصنوعی فروسرخ می‌تواند در هر شرایط آب‌وهوایی، روز یا شب، حتی در شرایط جوی سخت، کاربرد داشته باشد و در بازرسی صنعتی، ایمنی مواد غذایی، حسگرهای گاز، علوم کشاورزی و رانندگی خودران مفید باشد.

آن‌ها همچنین تأکید کردند که میلیون‌ها پیکسل با استفاده از این سیستم با هزینه بسیار پایین قابل دستیابی است و بنابراین در آینده می‌تواند در دوربین‌ها و گوشی‌های هوشمند هم به کار رود.

در واقع، این سیستم روی حسگرهای CMOS استاندارد فعلی قابل نصب است و نیازی به تغییرات بنیادی در ساختار گوشی‌ها ندارد.