Nuovo dispositivo converte la luce a infrarossi in immagini

Vedere attraverso lo smog e la nebbia, ottenere la mappatura dei vasi sanguigni di una persona monitorando allo stesso tempo la frequenza cardiaca, senza toccare la pelle, vedere attraverso i wafer di silicio per ispezionare la qualità e la composizione delle schede elettroniche, sono queste solo alcune delle capacità di un nuovo imager (registratore di immagini) a infrarossi sviluppato da un team di ricercatori guidati da ingegneri elettrici dell’Università della California a San Diego.
L’imager rileva una parte dello spettro infrarosso chiamato luce infrarossa a onde corte (lunghezze d’onda da 1000 a 1400 nanometri), che si trova 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 puntando la luce infrarossa a onde corte su un oggetto o un’area di interesse, e quindi convertendo la luce infrarossa a bassa energia che viene riflessa nel dispositivo in lunghezze d’onda più corte e ad alta energia che l’occhio umano può vedere.
Tina Ng, professoressa di ingegneria elettrica e informatica presso UC San Diego Jacobs School of Engineering, ha detto: «Rende visibile la luce invisibile».
La tecnologia di imaging a infrarossi sebbene sia in circolazione da decenni, la maggior parte dei sistemi è costosa, ingombrante e complessa, spesso richiede una fotocamera e un display separati. Inoltre sono tipicamente realizzati utilizzando semiconduttori inorganici, che sono costosi, rigidi e costituiti da elementi tossici come l’arsenico e il piombo.
L’imager a infrarossi sviluppato dal team di Tina Ng supera questi problemi, combina i sensori e il display in un unico dispositivo sottile, rendendolo compatto e semplice. È costruito utilizzando semiconduttori organici, quindi è a basso costo, flessibile e sicuro da usare nelle applicazioni biomedicali. Fornisce inoltre una migliore risoluzione dell’immagine rispetto a alcune delle sue controparti inorganiche.
Il nuovo imager, pubblicato di recente su Advanced Functional Materials, offre ulteriori vantaggi. Vede più spettro dell’infrarosso a onde corte, da 1000 a 1400 nanometri: sistemi simili esistenti spesso vedono solo sotto i 1200 nanometri; ad oggi ha anche 2 centimetri quadrati di superficie, una delle più grandi dimensioni di visualizzazione di imager a infrarossi. E poiché l’imager è fabbricato utilizzando processi a pellicola sottile, è facile ed economico scalarlo per realizzare schermi ancora più grandi.

Energizzazione dei fotoni infrarossi in fotoni visibili
L’imager è costituito da più strati semiconduttori, ciascuno con uno spessore di centinaia di nanometri, impilati uno sopra l’altro. Tre di questi strati, ciascuno costituito da un polimero organico diverso, sono i protagonisti principali dell’imager: uno strato fotorilevatore, uno strato di visualizzazione con diodo organico a emissione di luce (OLED) e nel mezzo uno strato di blocco degli elettroni.
Lo strato fotorilevatore assorbe la luce infrarossa a onde corte (fotoni a bassa energia) e quindi genera una corrente elettrica, questa corrente fluisce verso lo strato di visualizzazione OLED, dove è convertita in un’immagine visibile (fotoni ad alta energia); uno strato intermedio, chiamato strato di blocco degli elettroni, impedisce allo strato di visualizzazione OLED di perdere corrente, è questo ciò che consente al dispositivo di produrre un’immagine più chiara.
Il processo di conversione di fotoni a bassa energia in fotoni a energia più elevata è noto come upconversion. La particolarità è che il processo di upconversion è elettronico.
Ning Li ricercatore nel laboratorio di Tina Ng, ha detto:
«Il vantaggio di questo dispositivo è che consente la conversione diretta da infrarossi a visibile in un sistema sottile e compatto. È noto che in un tipico sistema di imaging IR in cui l’upconversion non è elettronico, è necessario un array di rivelatori per raccogliere dati, un computer per elaborare tali dati e uno schermo separato per visualizzare tali dati. È questo il motivo per cui la maggior parte dei sistemi esistenti sono ingombranti e costosi».
I ricercatori hanno detto che un’altra caratteristica speciale è che il riproduttore d’immagini è efficiente nel fornire letture sia ottiche sia elettroniche. Ning Li, ha detto: «Questo lo rende multifunzionale».
I ricercatori ad esempio, quando hanno puntato la luce a infrarossi sul dorso della mano di un soggetto, l’imager ha fornito un’immagine dei vasi sanguigni del soggetto durante la registrazione della sua frequenza cardiaca. Hanno anche usato il loro imager 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 modellata con “Ucsd” dietro un wafer di silicio. La luce infrarossa penetra sia attraverso lo smog sia attraverso il silicio, consentendo all’imager di vedere le lettere in queste dimostrazioni. Ciò sarebbe utile per applicazioni per 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 del riproduttore di immagini.

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Pino Silvestri, blogger per diletto, fondatore, autore di Virtualblognews, presente su Facebook e Twitter.
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