Máy ảnh hồng ngoại mới có thể vẽ ra các mạch máu của một người mà không cần chạm vào da

Thiết bị mỏng, diện tích lớn chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại thành hình ảnh

Nhìn xuyên qua sương khói và sương mù. Lập bản đồ mạch máu của một người đồng thời theo dõi nhịp tim — mà không cần chạm vào da của người đó. Nhìn qua các tấm silicon để kiểm tra chất lượng và thành phần của bảng điện tử. Đây chỉ là một số khả năng của máy ảnh hồng ngoại mới được phát triển bởi một nhóm các nhà nghiên cứu do các kỹ sư điện tại Đại học California San Diego dẫn đầu.

Máy ảnh phát hiện một phần của quang phổ hồng ngoại được gọi là ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn (bước sóng từ 1000 đến 1400 nanomet), nằm ngay bên ngoài quang phổ khả kiến (400 đến 700 nanomet). Hình ảnh hồng ngoại sóng ngắn không được nhầm lẫn với hình ảnh nhiệt, phát hiện các bước sóng hồng ngoại dài hơn nhiều do cơ thể phát ra.

Máy ảnh hoạt động bằng cách chiếu ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn vào một đối tượng hoặc khu vực quan tâm, sau đó chuyển đổi ánh sáng hồng ngoại năng lượng thấp phản xạ trở lại thiết bị thành các bước sóng ngắn hơn, năng lượng cao hơn mà mắt người có thể nhìn thấy.

Máy ảnh hồng ngoại cung cấp hình ảnh rõ ràng về các mạch máu trên tay của một người và nhìn xuyên qua các vật thể mờ đục như tấm silicon. Tín dụng: Ning Li

Tina Ng, giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Trường Kỹ thuật UC San Diego Jacobs cho biết: “Nó làm cho ánh sáng vô hình có thể nhìn thấy được.

Trong khi công nghệ hình ảnh hồng ngoại đã có từ nhiều thập kỷ, hầu hết các hệ thống đều đắt tiền, cồng kềnh và phức tạp, thường yêu cầu một camera và màn hình riêng biệt. Chúng cũng thường được chế tạo bằng chất bán dẫn vô cơ, đắt tiền, cứng và chứa các nguyên tố độc hại như asen và chì.

Máy ảnh hồng ngoại mà nhóm của Ng đã phát triển khắc phục được những vấn đề này. Nó kết hợp các cảm biến và màn hình thành một thiết bị mỏng, làm cho nó nhỏ gọn và đơn giản. Nó được chế tạo bằng chất bán dẫn hữu cơ nên có giá thành thấp, linh hoạt và an toàn khi sử dụng trong các ứng dụng y sinh. Nó cũng cung cấp độ phân giải hình ảnh tốt hơn so với một số đối tác vô cơ của nó.

Hình ảnh mới, được xuất bản gần đây trong Vật liệu Chức năng Nâng cao , cung cấp thêm các lợi thế. Nó nhìn thấy nhiều phổ hồng ngoại sóng ngắn hơn, từ 1000 đến 1400 nanomet — các hệ thống tương tự hiện có thường chỉ nhìn thấy dưới 1200 nanomet. Nó cũng có một trong những kích thước hiển thị lớn nhất của máy ảnh hồng ngoại cho đến nay: diện tích 2 cm vuông. Và vì hình ảnh được chế tạo bằng quy trình màng mỏng, nên việc mở rộng quy mô để tạo ra những màn hình lớn hơn nữa rất dễ dàng và không tốn kém.

Cung cấp năng lượng cho các photon hồng ngoại thành các photon nhìn thấy được

Máy ảnh được tạo thành từ nhiều lớp bán dẫn, mỗi lớp mỏng hàng trăm nanomet, xếp chồng lên nhau. Ba trong số các lớp này, mỗi lớp được làm bằng một loại polymer hữu cơ khác nhau, là những nhân tố chính của hình ảnh: lớp tách sóng quang, lớp hiển thị đi-ốt phát quang hữu cơ (OLED) và lớp chặn điện tử ở giữa.

Lớp tách sóng quang hấp thụ ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn (photon năng lượng thấp) và sau đó tạo ra dòng điện. Dòng điện này chạy đến lớp màn hình OLED, nơi nó được chuyển đổi thành hình ảnh có thể nhìn thấy được (các photon năng lượng cao). Một lớp trung gian, được gọi là lớp chặn điện tử, giữ cho lớp màn hình OLED không bị mất bất kỳ dòng điện nào. Đây là điều cho phép thiết bị tạo ra hình ảnh rõ ràng hơn.

Quá trình chuyển đổi các photon năng lượng thấp thành các bức ảnh năng lượng cao hơn được gọi là chuyển đổi ngược. Điều đặc biệt ở đây là quá trình upconversion là điện tử. Tác giả đầu tiên Ning Li, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Ng cho biết: “Ưu điểm của điều này là nó cho phép chuyển đổi trực tiếp từ hồng ngoại sang khả kiến trong một hệ thống mỏng và nhỏ gọn. “Trong một hệ thống hình ảnh IR điển hình, nơi chuyển đổi ngược không phải là điện tử, bạn cần một dãy máy dò để thu thập dữ liệu, một máy tính để xử lý dữ liệu đó và một màn hình riêng biệt để hiển thị dữ liệu đó. Đây là lý do tại sao hầu hết các hệ thống hiện tại đều cồng kềnh và đắt tiền ”.

Một tính năng đặc biệt khác là máy ảnh có hiệu quả trong việc cung cấp các chỉ số quang học và điện tử. “Điều này làm cho nó trở nên đa chức năng,” Li nói. Ví dụ, khi các nhà nghiên cứu chiếu ánh sáng hồng ngoại vào mu bàn tay của đối tượng, người chụp cung cấp hình ảnh rõ ràng về mạch máu của đối tượng trong khi ghi lại nhịp tim của đối tượng.

Các nhà nghiên cứu cũng sử dụng máy ảnh hồng ngoại của họ để nhìn xuyên qua sương mù và một tấm silicon. Trong một lần trình diễn, họ đã đặt một bình quang có hoa văn “EXIT” trong một căn phòng nhỏ đầy sương khói. Trong một cách khác, họ đặt một bình quang có hoa văn “UCSD” phía sau một tấm silicon. Ánh sáng hồng ngoại xuyên qua cả sương khói và silicon, giúp người tưởng tượng có thể nhìn thấy các chữ cái trong các hình minh họa này. Điều này sẽ hữu ích cho các ứng dụng như giúp xe ô tô tự lái nhìn thấy trong thời tiết xấu và kiểm tra các lỗi của chip silicon.

Các nhà nghiên cứu hiện đang làm việc để cải thiện hiệu quả của hình ảnh.

Tham khảo: “Hình ảnh chuyển đổi hữu cơ với đầu đọc điện tử và quang học kép để phát hiện ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn” của Ning Li, Naresh Eedugurala, Dong-Seok Leem, Jason D. Azoulay và Tse Nga Ng, ngày 19 tháng 2 năm 2021, Vật liệu chức năng nâng cao .
DOI: 10.1002 / adfm.202100565

Các đồng tác giả bao gồm Naresh Eedugurala và Jason D. Azoulay, Đại học Nam Mississippi; và Dong-Seok Leem, Samsung Electronics Co., Ltd.

Công trình này được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (ECCS-1839361) và Viện Công nghệ Tiên tiến Samsung. Công trình được thực hiện một phần tại Cơ sở Hạ tầng Công nghệ Nano San Diego (SDNI) tại UC San Diego, một thành viên của Cơ sở Hạ tầng Phối hợp Công nghệ Nano Quốc gia, được hỗ trợ bởi Quỹ Khoa học Quốc gia (cấp ECCS-1542148).

Theo Scitechdaily