پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) تراشه فروسرخی توسعه دادهاند که میتواند دوربینهای حرارتی را کوچکتر، هوشمندتر و کارآمدتر کند.
به گزارش سرویس سخت افزار تکناک، این تراشه با کنترل الکترونیکی نور فروسرخ در سطح هر پیکسل، نیاز به قطعات مکانیکی متحرک را از بین میبرد و میتواند کاربردهای گستردهای در تصویربرداری حرارتی، شناسایی نشت گاز، پایش آلودگی، اکتشافات فضایی و رایانش نوری داشته باشد.
پژوهشگران MIT یک عدسی فروسرخ قابلبرنامهریزی را روی یک تراشه نیمهرسانا توسعه دادهاند که برخلاف سامانههای متداول برای تغییر نحوه دریافت و کنترل نور به موتور، آینه یا سایر قطعات مکانیکی وابسته نیست. این فناوری میتواند عملکرد دوربینهای فروسرخ را با کنترل مستقل هر پیکسل بهبود دهد و در عین حال اندازه و پیچیدگی تجهیزات را کاهش دهد.
سامانههای تصویربرداری فروسرخ امروزی معمولا برای تغییر فاصله کانونی یا تنظیم ویژگیهای نوری از مجموعهای از قطعات متحرک استفاده میکنند. این قطعات علاوه بر افزایش ابعاد و وزن دستگاه، مصرف انرژی و هزینه ساخت را نیز بالا میبرند. فناوری جدید MIT این محدودیت را برطرف میکند و امکان تغییر ویژگیهای نوری را تنها با اعمال فرمانهای الکترونیکی فراهم مینماید.
در این طراحی، هر پیکسل به صورت مستقل میتواند نحوه تعامل خود را با نور فروسرخ میانی تغییر دهد. این قابلیت باعث میشود یک دوربین بتواند بدون جابهجایی هیچ قطعهای، اطلاعات متفاوتی را از یک صحنه ثبت کند و بسته به نیاز کاربر، ویژگیهای نوری خود را در لحظه تغییر دهد.
پژوهشگران این تراشه را با استفاده از فناوریهای رایج تولید نیمهرسانا ساختهاند. به گفته آنها، استفاده از فرایندهای متداول ساخت تراشه، مسیر تولید انبوه این فناوری را در آینده هموار میکند.
هسته اصلی این سامانه از یک ماده تغییر فاز و یک شبکه متقاطع از سیمهای مسی تشکیل شده است. این شبکه، ساختاری مشابه مدارهای مورد استفاده در نمایشگرها دارد. در محل تقاطع سیمها، گرمای ایجادشده در سیلیکون آلایششده، بخشهای بسیار کوچکی از ماده را میان دو حالت بلوری و آمورف جابهجا میکند. این تغییر ساختار باعث میشود هر پیکسل بتواند به طور مستقل نحوه کنترل نور فروسرخ را تغییر دهد.
پژوهشگران بیان کردند که فراسطحهای قابلبرنامهریزی پیشین یا کل عدسی را به صورت یکپارچه کنترل میکردند یا برای هر پیکسل به سیمکشی جداگانه نیاز داشتند. این موضوع ساخت سامانههای بزرگ را بسیار دشوار میکرد. معماری جدید با استفاده از آرایش متقاطع سیمها، امکان کنترل دوبعدی هر پیکسل را فراهم میکند و همزمان تداخل ناشی از جریانهای ناخواسته را کاهش میدهد.
جوجون هو، استاد علوم و مهندسی مواد و استاد کرسی John F. Elliott در MIT، درباره این دستاورد گفت: «محاسبات ما نشان میدهد که این معماری میتواند بدون ایجاد مشکل ناشی از جریانهای ناخواسته، تا میلیونها پیکسل مقیاسپذیر باشد.»
وی تصریح کرد: «نوآوری اصلی این پژوهش، معماری متقاطع است که روشی مقیاسپذیر برای کنترل هر پیکسل در فراسطحهای فعال ایجاد میکند. ما این معماری را ابداع نکردهایم، چرا که پیشتر در نمایشگرها استفاده شده بود، اما برای نخستین بار آن را در فراسطحهای فعال مبتنی بر مواد تغییر فاز به کار گرفتهایم تا امکان کنترل مستقل هر پیکسل را نشان دهیم.»
تیم تحقیقاتی برای ارزیابی عملکرد این فناوری، یک آرایه ۶ در ۶ پیکسلی از فراسطح را تولید کرد. نتایج آزمایشها نشان داد این آرایه میتواند بارها میان دو حالت مختلف تغییر وضعیت دهد، بدون اینکه عملکرد یا کارایی آن کاهش پیدا کند.
پژوهشگران معتقد هستند که این فناوری میتواند کاربردهای متعددی در حوزه پایش محیط زیست داشته باشد. نور فروسرخ میانی برای شناسایی بسیاری از گازها و مولکولهای آلی اهمیت زیادی دارد، چرا که این ترکیبات، نور را در این محدوده طول موج جذب میکنند. به همین دلیل، سامانههای مجهز به این تراشه میتوانند برای شناسایی نشت گازهایی مانند متان و پروپان یا پایش آلایندههای جوی مورد استفاده قرار گیرند.
کازمین کنستانتین پوپسکو، نویسنده نخست این پژوهش گفت: «این فناوری میتواند اطلاعات بیشتری را هنگام مطالعه فضا در اختیار ما قرار دهد یا به حفاظت از محیط زیست کمک کند؛ جایی که لازم است ترکیبات خاص موجود در جو را پایش کنیم.»
وی بیان کرد: «تصویربرداری حرارتی نیز یکی دیگر از کاربردهای این فناوری است و میتوان از آن در تجهیزاتی مانند سامانههای دید در شب و کاربردهای نظامی استفاده کرد.»
پژوهشگران MIT باور دارند که کاربرد این فناوری تنها به تصویربرداری محدود نخواهد شد. آنها عنوان کردند که فراسطحهای قابلبرنامهریزی در آینده میتوانند در سامانههای رایانش نوری نیز به کار گرفته شوند؛ سامانههایی که در آنها نور بهجای جریان الکتریکی وظیفه پردازش اطلاعات را بر عهده دارد و میتواند سرعت پردازش را افزایش و مصرف انرژی را کاهش دهد.
همچنین جوجون هو اعلام کرد که نسخههای آینده این فناوری میتوانند برای شناسایی اشیای مشخص یا الگوهای خاص تنظیم شوند. در این صورت، دوربین پیش از ثبت تصویر، اهداف موردنظر کاربر را تشخیص میدهد و آنها را برجسته میکند.
پژوهشگران اکنون روی افزایش تعداد پیکسلها و بهبود دوام این تراشه کار میکنند تا بتوانند اطلاعات فروسرخ را با وضوح بالاتر ثبت کنند و در عین حال سازگاری کامل آن را با فرایندهای متداول تولید نیمهرسانا حفظ نمایند. در صورت موفقیت، این فناوری میتواند نسل آینده دوربینهای حرارتی، سامانههای پایش محیطی، تجهیزات علمی و سامانههای رایانش نوری را متحول کند.
