de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Beijing Institute of Technology in China haben ein künstliches Sehsystem entwickelt, das Infrarotbilder im kurzwelligen und mittleren Infrarotbereich mit 4K-Auflösung aufzeichnen kann – einem Spektralbereich, der für herkömmliche Siliziumkameras nicht zugänglich ist.
Die Technologie wurde in der Fachzeitschrift „Light: Science & Applications" vorgestellt. Das System kombiniert einen CMOS-Sensor mit einem Konverter, der Infrarotstrahlung in sichtbares Licht umwandelt, sodass die Informationen über die bereits in den meisten Digitalkameras verwendete Basisplattform verarbeitet werden können.
Laut den Autoren zielt das Konzept darauf ab, die Einschränkungen der leistungsstarken Infrarotbildgebung zu überwinden. Herkömmliche Verfahren basieren oft auf speziellen Materialien, komplexeren Architekturen und in vielen Fällen auf Kühlsystemen zur Reduzierung des Signalrauschens. Das Forschungsteam integrierte den Konverter direkt in den CMOS-Sensor. CMOS ist eine etablierte Basisplattform in der elektronischen Bildgebung, die in Digitalkameras, Smartphones, Überwachungssystemen und Computervisionsgeräten weit verbreitet ist.
Das System erreicht eine Auflösung von 3840 × 2160 Pixeln, also den 4K-Standard, bei einem Pixelabstand von 1,55 Mikrometern. Die wissenschaftliche Publikation weist darauf hin, dass diese Integration die Kurzwellen- und Mittelwellen-Infrarotbildgebung bei Raumtemperatur ohne kryogene Kühlung ermöglicht – eine Technik, die bei einigen professionellen Infrarotdetektoren zum Einsatz kommt.
Die Technologie wurde von den Grubenorganen bestimmter Schlangenarten inspiriert. Diese Strukturen reagieren empfindlich auf die von warmen Körpern abgegebene Infrarotstrahlung und helfen den Schlangen, Wärmesignale in Umgebungen mit wenig Licht wahrzunehmen. Das Forschungsteam adaptierte dieses biologische Prinzip in eine elektronische Lösung auf Basis optischer Umwandlung.
Herkömmliche CMOS-Sensoren haben grundsätzliche Einschränkungen bei der Erfassung von Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums. Um diese Einschränkung zu überwinden, verwendeten die Forscher Quecksilbertellurid-Kolloidquantenpunkte. Dieses Material kann Infrarotstrahlung mit längeren Wellenlängen im Spektrum absorbieren. Die Quantenpunkte sind in einer Barrieren-Heterostruktur angeordnet, die darauf abzielt, den Dunkelstrom – das wärmebedingte Rauschen – zu reduzieren. Die Architektur enthält auch Zinkoxid- und P3HT-Polymerschichten, die unerwünschte Ladungen blockieren, ohne den Ladungsträgertransport des Nutzsignals zu behindern.
Das Gerät kann nicht nur Infrarotstrahlung detektieren, sondern wandelt sie auch in sichtbares Licht um, sodass der CMOS-Sensor Informationen aufzeichnen kann, die normalerweise außerhalb seines Erfassungsbereichs liegen. Das Team berichtet, dass der Konverter auf Waferebene in CMOS-Sensoren integriert wurde, einschließlich eines 8-Zoll-Siliziumwafers.
In Demonstrationen erzeugte das System Kurzwellen- und Mittelwellen-Infrarotbilder mit 4K-Auflösung und 120 Bildern pro Sekunde. Die Plattform wurde auch verwendet, um Siliziumwafer zu durchleuchten und Wärmebilder von Wärmequellen zu erzeugen. Die spektrale Empfindlichkeit des Systems erstreckt sich vom sichtbaren Bereich bis zu 4,5 Mikrometern im mittleren Infrarot, was laut der Studie etwa das 14-fache des üblicherweise für herkömmliche Siliziumkameras zugänglichen Bereichs ist.
Die Autoren nennen mögliche Anwendungen der Technologie im autonomen Fahren, in der industriellen Inspektion, der intelligenten Fertigung, der medizinischen Diagnostik, der Lebensmittelsicherheit, der Gassensorik und der Nachtsicht. Die Technologie befindet sich jedoch derzeit noch im wissenschaftlichen Forschungskontext; die Studie gibt keinen Zeitplan für die Einführung in Verbrauchergeräten, keine endgültigen Kosten oder Geschäftspläne bekannt.
Die Studie weist auch darauf hin, dass für eine breite Einführung noch Herausforderungen in Bezug auf Haltbarkeit, Fertigungsgleichmäßigkeit, Produktionskosten und die Integration in Endsysteme bestehen. Das Verfahren unter Verwendung quecksilberhaltiger Materialien (Quecksilbertellurid) erfordert zudem sichere Herstellungs-, Verpackungs-, Umweltkontroll- und Entsorgungsprozesse für Altkomponenten.
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