Phát minh "công nghệ nhìn nhiệt giống mắt rắn" có thể rung chuyển ngành công nghiệp quốc phòng
Phát minh này mở đường cho một loạt ngành công nghệ khác trên toàn cầu.
Các nhà nghiên cứu tại Viện Công nghệ Bắc Kinh (Trung Quốc) vừa chế tạo một bộ chuyển đổi tín hiệu cho phép chụp ảnh hồng ngoại 4K trên các cảm biến CMOS tiêu chuẩn ở nhiệt độ phòng, IE thông tin ngày 1/12.
Bước đột phá mới mang công nghệ nhìn nhiệt giống như rắn này có khả năng đưa công nghệ chụp ảnh hồng ngoại đến gần hơn với mục đích sử dụng chính thống, chi phí thấp, vốn vẫn chỉ giới hạn trong các ngành công nghiệp quốc phòng.
Các nhà khoa học cho biết, loài rắn sở hữu một siêu năng lực sinh học mà các kỹ sư từ lâu đã muốn mô phỏng: Nhìn xuyên đêm.
Mở khóa tầm nhìn của rắn
Sử dụng các cơ quan hố cảm nhiệt chuyên biệt (pit organ) - gọi là hố cảm nhận hồng ngoại, loài rắn 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 silicon tiêu chuẩn, xương sống của điện thoại thông minh và máy ảnh tiêu dùng, có giá thành rẻ và phổ biến.
Nhưng chúng không thể nhìn thấy ánh sáng hồng ngoại sóng ngắn hoặc sóng trung. Khoảng cách cơ bản này đã khiến hình ảnh hồng ngoại hiệu suất cao nằm ngoài tầm với của hầu hết các ứng dụng.
Ví dụ về vị trí "hố cảm nhiệt" của loài rắn.
Phát minh của Viện Công nghệ Bắc Kinh giải quyết được bài toán này bằng một hệ thống “tầm nhìn rắn” 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 chip 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.
Chip CMOS tích hợp công nghệ ảnh hồng ngoại. Ảnh: Getty
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 bằng phương pháp đông 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 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 của 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.
Nghiên cứu này được đăng trên Tạp chí Light: Science & Applications.
The invention paves the way for a host of other technologies around the globe.
Researchers at the Beijing Institute of Technology (China) have just created a signal converter that allows 4K infrared imaging on standard CMOS sensors at room temperature, IE reported on December 1.
The new breakthrough brings this snake-like thermal vision technology closer to mainstream, low-cost uses, which have been limited to the defense industry.
Scientists say snakes possess a biological superpower that engineers have long wanted to emulate: Night vision.
Unlocking Snake Vision
Using specialized heat-sensing pit organs - called infrared-sensing pits - snakes can detect heat signatures in complete darkness, allowing them to "see" the heat of their prey in the dark. Today’s infrared imaging systems can achieve similar feats, but only with expensive materials or bulky cooling hardware that limits portability.
Standard silicon CMOS sensors, the backbone of smartphones and consumer cameras, are cheap and ubiquitous.
But they cannot see short- or medium-wave infrared light. This fundamental gap has put high-performance infrared imaging out of reach for most applications.
An example of a snake’s “heat-sensing pit.”
An invention from the Beijing Institute of Technology solves this problem with an artificial “snake vision” system.
They integrate an infrared (invisible light) to visible (visible light) converter directly into a standard CMOS chip, allowing 4K infrared imaging at room temperature without the need for expensive cooling.
“To give artificial systems solid-like thermal perception, we had to overcome the noise issues inherent in room-temperature infrared detection,” the researchers say.
To address this, the team created a “heterojunction barrier” using colloidal mercury telluride (HgTe) quantum dots.
Additional layers of zinc oxide and polymer form a barrier that blocks thermal noise or dark current, while still allowing the signal carriers to travel efficiently.

CMOS chip with infrared imaging technology. Image: Getty
This allows the sensor to remain sensitive to SWIR (short-wave infrared) and MWIR (mid-wave infrared) wavelengths without the need for cryogenic cooling, a major change from traditional infrared (IR) detectors.
They also created a co-storage light-emitting structure to convert infrared signals into visible photons using CMOS.
By balancing the movement of electrons and holes inside the device, the team significantly increased the conversion efficiency, turning weak IR inputs into bright, clear images.
"Paving the way for infrared imaging"
When integrated into a standard 8-inch CMOS wafer, the system can capture infrared images at a resolution of 3840 × 2160 with a pixel pitch of just 1.55 microns.
It can see through silicon wafers, detect heat distributions, and image environments that are typically invisible to standard sensors.
"This technology paves the way for low-cost, high-performance infrared imaging," the team said.
They added that extending the detection capability from visible light out to 4.5 microns “expands the spectrum by a factor of 14,” allowing for all-weather vision, capable of penetrating fog and smoke.
The implications are broad. Low-cost 4K infrared vision technology could power next-generation autonomous driving systems, industrial inspection tools, medical diagnostics, night vision devices, and consumer imaging devices.
It could also dramatically reduce the cost of SWIR and MWIR systems, which are currently limited to the defense industry and a few high-budget industries.
By mimicking the biological design of a snake’s infrared sensing pit and combining it with semiconductor manufacturing, the researchers have opened the path to truly accessible thermal vision.
Their work brings the extraordinary sensing capabilities of the natural world closer to cheap, mass-produced hardware.
The research is published in the journal Light: Science & Applications.
