Vedere attraverso lo smog e la nebbia. Mappare i vasi sanguigni di una persona monitorando allo stesso tempo la frequenza cardiaca, senza toccare la pelle della persona. Vedere attraverso i wafer di silicio per ispezionare la qualità e la composizione delle schede elettroniche. Queste sono solo alcune delle capacità di una nuova termocamera a infrarossi sviluppata da un team di ricercatori guidati da ingegneri elettrici dell'Università della California a San Diego.

L'imager rileva una parte dello spettro infrarosso chiamata luce infrarossa a onde corte (lunghezze d'onda da 1000 a 1400 nanometri), che è proprio al di fuori dello spettro visibile (da 400 a 700 nanometri). L'imaging a infrarossi a onde corte non deve essere confuso con l'imaging termico, che rileva lunghezze d'onda infrarosse molto più lunghe emesse dal corpo.

L'imager funziona proiettando luce infrarossa a onde corte su un oggetto o un'area di interesse, e quindi convertire la luce infrarossa a bassa energia che viene riflessa sul dispositivo in una luce più corta, lunghezze d'onda ad alta energia che l'occhio umano può vedere.

"Rende visibile la luce invisibile, " ha detto Tina Ng, un professore di ingegneria elettrica e informatica presso la UC San Diego Jacobs School of Engineering.

Sebbene la tecnologia di imaging a infrarossi sia in circolazione da decenni, la maggior parte dei sistemi è costosa, voluminoso e complesso, spesso richiedono una fotocamera e un display separati. Sono anche tipicamente realizzati utilizzando semiconduttori inorganici, che costano, rigidi e costituiti da elementi tossici come arsenico e piombo.

La termocamera a infrarossi sviluppata dal team di Ng risolve questi problemi. Combina i sensori e il display in un unico dispositivo sottile, rendendolo compatto e semplice. È costruito utilizzando semiconduttori organici, quindi costa poco flessibile e sicuro da usare in applicazioni biomediche. Fornisce anche una migliore risoluzione dell'immagine rispetto ad alcune delle sue controparti inorganiche.

Il nuovo imager, pubblicato di recente in Materiali funzionali avanzati , offre ulteriori vantaggi. Vede più dello spettro infrarosso a onde corte, da 1000 a 1400 nanometri:i sistemi simili esistenti spesso vedono solo al di sotto dei 1200 nanometri. Ha anche una delle più grandi dimensioni di visualizzazione degli imager a infrarossi fino ad oggi:2 centimetri quadrati di area. E poiché l'imager è fabbricato utilizzando processi a film sottile, è facile ed economico scalare per realizzare display ancora più grandi.

Eccitazione di fotoni infrarossi a fotoni visibili

L'imager è costituito da più strati semiconduttori, ogni centinaia di nanometri di spessore, impilati uno sopra l'altro. Tre di questi strati, ciascuno fatto di un diverso polimero organico, sono gli attori chiave dell'imager:uno strato di fotorilevatore, uno strato di visualizzazione a diodo organico a emissione di luce (OLED), e uno strato di blocco degli elettroni in mezzo.

Lo strato fotorilevatore assorbe la luce infrarossa a onde corte (fotoni a bassa energia) e quindi genera una corrente elettrica. Questa corrente scorre al livello del display OLED, dove viene convertito in un'immagine visibile (fotoni ad alta energia). Uno strato intermedio, chiamato strato di blocco degli elettroni, impedisce al livello del display OLED di perdere corrente. Questo è ciò che consente al dispositivo di produrre un'immagine più chiara.

Questo processo di conversione di fotoni a bassa energia in foto a energia più elevata è noto come upconversion. La particolarità qui è che il processo di upconversion è elettronico. "Il vantaggio di questo è che consente la conversione diretta da infrarossi a visibile in un sistema sottile e compatto, " ha detto il primo autore Ning Li, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Ng. "In un tipico sistema di imaging IR in cui l'upconversion non è elettronico, hai bisogno di un array di rivelatori per raccogliere dati, un computer per elaborare quei dati, e uno schermo separato per visualizzare tali dati. Questo è il motivo per cui la maggior parte dei sistemi esistenti è ingombrante e costosa".

Un'altra caratteristica speciale è che l'imager è efficiente nel fornire letture sia ottiche che elettroniche. "Questo lo rende multifunzionale, " ha detto Li. Ad esempio, quando i ricercatori hanno puntato la luce infrarossa sul dorso della mano di un soggetto, l'imager ha fornito un'immagine dei vasi sanguigni del soggetto mentre registrava la frequenza cardiaca del soggetto.

I ricercatori hanno anche usato la loro termocamera a infrarossi per vedere attraverso lo smog e un wafer di silicio. In una dimostrazione, hanno posizionato una fotomaschera con il motivo "EXIT" in una piccola camera piena di smog. In un altro, hanno posizionato una fotomaschera con un motivo "UCSD" dietro un wafer di silicio. La luce infrarossa penetra sia attraverso lo smog che attraverso il silicio, consentendo all'imager di vedere le lettere in queste dimostrazioni. Ciò sarebbe utile per applicazioni come aiutare le auto autonome a vedere in caso di maltempo e ispezionare i chip di silicio per i difetti.

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare l'efficienza dell'imager.