Door smog en mist heen kijken. De bloedvaten van een persoon in kaart brengen en tegelijkertijd de hartslag controleren, zonder de huid van de persoon aan te raken. Door siliciumwafels kijken om de kwaliteit en samenstelling van elektronische borden te inspecteren. Dit zijn slechts enkele van de mogelijkheden van een nieuwe infraroodcamera die is ontwikkeld door een team van onderzoekers onder leiding van elektrotechnici van de University of California San Diego.

De imager detecteert een deel van het infraroodspectrum dat kortegolf-infraroodlicht wordt genoemd (golflengten van 1000 tot 1400 nanometer), die net buiten het zichtbare spectrum ligt (400 tot 700 nanometer). Kortegolf-infraroodbeeldvorming moet niet worden verward met thermische beeldvorming, die veel langere infraroodgolflengten detecteert die door het lichaam worden afgegeven.

De imager werkt door kortegolf infrarood licht op een object of interessegebied te schijnen, en vervolgens het lage energie-infraroodlicht dat naar het apparaat wordt gereflecteerd, wordt omgezet in kortere, hogere energiegolflengten die het menselijk oog kan zien.

"Het maakt onzichtbaar licht zichtbaar, " zei Tina Ng, een professor in elektrische en computertechniek aan de UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Hoewel infraroodbeeldvormingstechnologie al tientallen jaren bestaat, de meeste systemen zijn duur, omvangrijk en complex, vaak een aparte camera en display nodig. Ze worden ook meestal gemaakt met behulp van anorganische halfgeleiders, die duur zijn, stijf en bestaan ​​uit giftige elementen zoals arseen en lood.

De infraroodcamera die het team van Ng heeft ontwikkeld, lost deze problemen op. Het combineert de sensoren en het display in één dun apparaat, waardoor het compact en eenvoudig is. Het is gebouwd met behulp van organische halfgeleiders, dus het is goedkoop, flexibel en veilig te gebruiken in biomedische toepassingen. Het biedt ook een betere beeldresolutie dan sommige van zijn anorganische tegenhangers.

De nieuwe beeldvormer, onlangs gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , biedt extra voordelen. Het ziet meer van het kortegolf infraroodspectrum, van 1000 tot 1400 nanometer - bestaande vergelijkbare systemen zien vaak alleen onder de 1200 nanometer. Het heeft ook een van de grootste weergaveformaten van infraroodcamera's tot nu toe:2 vierkante centimeter in oppervlakte. En omdat de imager is gefabriceerd met behulp van dunne-filmprocessen, het is gemakkelijk en goedkoop op te schalen om nog grotere displays te maken.

Infraroodfotonen activeren tot zichtbare fotonen

De imager is opgebouwd uit meerdere halfgeleidende lagen, elk honderden nanometers dun, op elkaar gestapeld. Drie van deze lagen, elk gemaakt van een ander organisch polymeer, zijn de belangrijkste spelers van de imager:een fotodetectorlaag, een organische light-emitting diode (OLED) weergavelaag, en een elektronenblokkerende laag daartussen.

De fotodetectorlaag absorbeert kortgolvig infrarood licht (fotonen met lage energie) en wekt vervolgens een elektrische stroom op. Deze stroom vloeit naar de OLED-displaylaag, waar het wordt omgezet in een zichtbaar beeld (fotonen met hoge energie). Een tussenlaag, de elektronenblokkerende laag genoemd, zorgt ervoor dat de OLED-weergavelaag geen stroom verliest. Hierdoor kan het apparaat een helderder beeld produceren.

Dit proces van het converteren van fotonen met lage energie naar foto's met hogere energie staat bekend als opconversie. Het bijzondere hier is dat het upconversieproces elektronisch is. "Het voordeel hiervan is dat het directe conversie van infrarood naar zichtbaar mogelijk maakt in één dun en compact systeem, " zei eerste auteur Ning Li, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Ng. "In een typisch IR-beeldvormingssysteem waar opconversie niet elektronisch is, je hebt een detectorarray nodig om gegevens te verzamelen, een computer om die gegevens te verwerken, en een apart scherm om die gegevens weer te geven. Daarom zijn de meeste bestaande systemen omvangrijk en duur."

Een ander speciaal kenmerk is dat de imager efficiënt is in het leveren van zowel optische als elektronische uitlezingen. “Dit maakt het multifunctioneel, " zei Li. Bijvoorbeeld, toen de onderzoekers infrarood licht op de rug van de hand van een proefpersoon lieten schijnen, de imager leverde een beeld van de bloedvaten van het onderwerp terwijl de hartslag van het onderwerp werd geregistreerd.

De onderzoekers gebruikten ook hun infraroodcamera om door smog en een siliciumwafel heen te kijken. In een demonstratie ze plaatsten een fotomasker met het patroon "EXIT" in een kleine kamer gevuld met smog. In een andere, ze plaatsten een fotomasker met een patroon met "UCSD" achter een siliciumwafel. Infrarood licht dringt door zowel smog als silicium, waardoor het voor de imager mogelijk is om de letters in deze demonstraties te zien. Dit zou handig zijn voor toepassingen zoals het helpen van autonome auto's bij slecht weer en het inspecteren van siliciumchips op defecten.

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de efficiëntie van de imager.