Camera "mắt rắn" có thể thay đổi ngành công nghiệp quốc phòng

Loài rắn sở hữu một siêu năng lực sinh học mà các kỹ sư từ lâu đã muốn mô phỏng đó là nhìn xuyên đêm. Tuy nhiên, việc tạo ra những chiếc camera hồng ngoại phải dùng đến vật liệu đắt tiền. Những thiết bị sở hữu độ nhạy cao và tầm nhìn tốt thường ở cấp độ quân sự với giá lên đến hàng nghìn USD.

Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Bắc Kinh (Trung Quốc) vừa công bố một phát minh có thể khiến những chiếc máy ảnh dân dụng cũng có thể ghi được ảnh nhiệt độ phân siêu cao.

Theo Tạp chí Light: Science & Applications, bộ chuyển đổi tín hiệu này cho phép chụp ảnh hồng ngoại độ phân giải lên đến 4K trên các cảm biến CMOS tiêu chuẩn ở nhiệt độ phòng.

Loài rắn sử dụng các hố cảm nhiệt chuyên biệt (pit organ) để có thể phát hiện dấu hiệu nhiệt trong bóng tối hoàn toàn, giúp chúng "nhìn" được hơi nóng của con mồi trong bóng tối.

Các hệ thống hình ảnh hồng ngoại ngày nay có thể đạt được những thành tựu tương tự, nhưng chỉ với vật liệu đắt tiền hoặc phần cứng làm mát cồng kềnh làm hạn chế tính di động.

Cảm biến CMOS thông dụng trên điện thoại thông minh và máy ảnh phổ thông đều không thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn hoặc sóng trung. Điều cơ bản này đã khiến hình ảnh hồng ngoại độ phân giải cao cao nằm ngoài tầm với của hầu hết các thiết bị dân dụng.

Nghiên cứu mô phỏng hố cảm nhiệt trên loài rắn để cảm biến ghi được ảnh hồng ngoại.

Viện Công nghệ Bắc Kinh giải quyết được bài toán này bằng một hệ thống “Xà quang” nhân tạo. Họ tích hợp bộ chuyển đổi tín hiệu hồng ngoại (ánh sáng mà mắt người không nhìn thấy được) sang tín hiệu khả kiến (mắt người có thể thấy được) trực tiếp vào cảm biến CMOS tiêu chuẩn, cho phép chụp ảnh hồng ngoại 4K ở nhiệt độ phòng mà không cần tốn kém chi phí làm mát.

Các nhà nghiên cứu cho biết: "Để cung cấp cho các hệ thống nhân tạo khả năng nhận thức nhiệt giống như rắn, chúng tôi phải khắc phục các vấn đề về nhiễu vốn có trong quá trình phát hiện hồng ngoại ở nhiệt độ phòng".

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một "rào chắn dị chất" bằng cách sử dụng các chấm lượng tử keo Thủy ngân telluride (HgTe). Các lớp oxit kẽm và polyme bổ sung tạo thành rào cản ngăn chặn nhiễu nhiệt hoặc dòng điện tối, đồng thời vẫn cho phép các sóng mang tín hiệu di chuyển hiệu quả.

Điều này cho phép cảm biến vẫn nhạy với bước sóng SWIR (hồng ngoại sóng ngắn) và MWIR (hồng ngoại sóng trung) mà không cần làm lạnh, một sự thay đổi lớn so với các máy dò hồng ngoại (IR) truyền thống.

Họ cũng tạo ra một cấu trúc phát sáng đồng lưu trữ để chuyển đổi tín hiệu hồng ngoại thành các photon có thể nhìn thấy được bằng CMOS. Bằng cách cân bằng chuyển động của electron và lỗ trống bên trong thiết bị, nhóm nghiên cứu đã tăng đáng kể hiệu suất chuyển đổi lên, biến đầu vào IR yếu thành hình ảnh sáng và rõ nét.

"Mở đường cho công nghệ chụp ảnh hồng ngoại"

Khi được tích hợp vào tấm wafer CMOS 8 inch tiêu chuẩn, hệ thống này có thể chụp ảnh hồng ngoại ở độ phân giải 3840 × 2160 với khoảng cách điểm ảnh chỉ 1,55 micron.

Nó có thể nhìn xuyên qua các tấm silicon, phát hiện sự phân bố nhiệt và hình ảnh môi trường mà các cảm biến tiêu chuẩn thường không nhìn thấy được.

Nhóm nghiên cứu cho biết: "Công nghệ này mở ra con đường cho công nghệ chụp ảnh hồng ngoại có chi phí thấp và hiệu suất cao".

Họ nói thêm rằng việc mở rộng khả năng phát hiện từ ánh sáng khả kiến ra tới 4,5 micron "mở rộng phổ lên 14 lần" cho phép quan sát trong mọi thời tiết, có khả năng xuyên qua sương mù và khói.

Ý nghĩa của nó rất rộng. Công nghệ tầm nhìn hồng ngoại 4K giá rẻ có thể cung cấp năng lượng cho các hệ thống lái xe tự động thế hệ tiếp theo, các công cụ kiểm tra công nghiệp, chẩn đoán y tế, thiết bị nhìn ban đêm quân sự và các thiết bị hình ảnh tiêu dùng.

Nó cũng có thể làm giảm đáng kể chi phí của các hệ thống SWIR và MWIR, hiện vẫn chỉ giới hạn trong các ngành công nghiệp quốc phòng, và một số công nghiệp có ngân sách cao.

Bằng cách mô phỏng bản thiết kế sinh học của hố cảm nhận hồng ngoại trên loài rắn và kết hợp nó với sản xuất chất bán dẫn, các nhà nghiên cứu đã mở ra con đường hướng tới tầm nhìn nhiệt thực sự dễ tiếp cận.

Công trình của họ đưa khả năng cảm biến phi thường của thế giới tự nhiên đến gần hơn với phần cứng sản xuất hàng loạt giá rẻ.