Tynd, enhed med stort område konverterer infrarødt lys til billeder

Gennemse smog og tåge. Kortlægning af en persons blodkar samtidig med at pulsen overvåges - uden at røre vedkommendes hud. Gennemse siliciumplader for at inspicere kvaliteten og sammensætningen af ​​elektroniske tavler. Dette er blot nogle af mulighederne for en ny infrarød billedbehandler udviklet af et team af forskere under ledelse af elektriske ingeniører ved University of California San Diego.

Billedet registrerer en del af det infrarøde spektrum kaldet kortbølget infrarødt lys (bølgelængder fra 1000 til 1400 nanometer), som er lige uden for det synlige spektrum (400 til 700 nanometer). Kortbølge infrarød billeddannelse skal ikke forveksles med termisk billeddannelse, som registrerer meget længere infrarøde bølgelængder, som kroppen afgiver.

Billedkameraet virker ved at skinne kortbølget infrarødt lys på et objekt eller interesseområde, og derefter konvertere det lavenergi -infrarøde lys, der reflekteres tilbage til enheden, til kortere, bølgelængder med højere energi, som det menneskelige øje kan se.

"Det gør usynligt lys synligt, "sagde Tina Ng, en professor i elektrisk og computerteknik ved UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Mens infrarød billeddannelsesteknologi har eksisteret i årtier, de fleste systemer er dyre, omfangsrig og kompleks, kræver ofte et separat kamera og skærm. De fremstilles også typisk ved hjælp af uorganiske halvledere, som er dyre, stive og består af giftige elementer som arsen og bly.

Den infrarøde billedbehandler, som Ngs team udviklede, overvinder disse problemer. Det kombinerer sensorerne og displayet til en tynd enhed, gør det kompakt og enkelt. Det er bygget ved hjælp af organiske halvledere, så det er lavt, fleksibel og sikker at bruge i biomedicinske applikationer. Det giver også bedre billedopløsning end nogle af dets uorganiske modstykker.

Den nye billedkamera, udgivet for nylig i Avancerede funktionelle materialer , giver yderligere fordele. Det ser mere af det korte bølges infrarøde spektrum, fra 1000 til 1400 nanometer - eksisterende lignende systemer ser ofte kun under 1200 nanometer. Det har også en af ​​de største skærmstørrelser af infrarøde billedere til dato:2 kvadratcentimeter i areal. Og fordi billedbehandleren er fremstillet ved hjælp af tynde filmprocesser, det er let og billigt at skalere op for at lave endnu større skærme.

Energisering af infrarøde fotoner til synlige fotoner

Billedet består af flere halvledende lag, hver hundrede nanometer tynde, stablet oven på hinanden. Tre af disse lag, hver lavet af en anden organisk polymer, er billedspillerens nøglespillere:et fotodetektorlag, et organisk lysemitterende diode (OLED) displaylag, og et elektronblokerende lag imellem.

Fotodetektorlaget absorberer kortbølget infrarødt lys (lavenergifotoner) og genererer derefter en elektrisk strøm. Denne strøm flyder til OLED -displaylaget, hvor det bliver konverteret til et synligt billede (fotoner med høj energi). Et mellemlag, kaldet elektronblokerende lag, forhindrer OLED -displaylaget i at miste strøm. Det er det, der gør det muligt for enheden at producere et klarere billede.

Denne proces med at konvertere lavenergifotoner til fotos med højere energi er kendt som opkonvertering. Det særlige her er, at opkonverteringsprocessen er elektronisk. "Fordelen ved dette er, at det muliggør direkte infrarød til synlig konvertering i et tyndt og kompakt system, "sagde første forfatter Ning Li, en postdoktor i Ng's laboratorium. "I et typisk IR -billeddannelsessystem, hvor opkonvertering ikke er elektronisk, du har brug for et detektormatrix til at indsamle data, en computer til at behandle disse data, og en separat skærm til visning af disse data. Det er derfor, de fleste eksisterende systemer er omfangsrige og dyre. "

En anden særlig funktion er, at billedbehandleren er effektiv til at levere både optiske og elektroniske aflæsninger. "Dette gør det multifunktionelt, "sagde Li. F.eks. da forskerne skinnede infrarødt lys på bagsiden af ​​et motivs hånd, billedbehandleren leverede et billede af motivets blodkar under optagelse af motivets puls.

Forskerne brugte også deres infrarøde billedbehandler til at gennemskue smog og en siliciumskive. I en demonstration, de anbragte en fotomask mønstret med "EXIT" i et lille kammer fyldt med smog. I en anden, de anbragte en fotomask mønstret med "UCSD" bag en siliciumskive. Infrarødt lys trænger gennem både smog og silicium, gør det muligt for billedbehandleren at se bogstaverne i disse demonstrationer. Dette ville være nyttigt til applikationer som f.eks. At hjælpe autonome biler med at se i dårligt vejr og inspicere siliciumchips for defekter.

Forskerne arbejder nu på at forbedre billedkameraets effektivitet.