Een van de superkrachten van Superman is röntgenzicht, waarmee hij door vaste voorwerpen heen kan kijken. Met behulp van Superman als inspiratie hebben onderzoekers van de Universiteit van Texas in Dallas (UTD) en Seoul National University (SNU) de mogelijkheid om door verpakkingen heen te kijken en door muren te lopen werkelijkheid gemaakt met behulp van een beeldchip die klein genoeg is om in een smartphone te passen.
Onderzoekers hebben een kleine chip gemaakt die afbeeldingen van objecten door karton heen kan maken. Deze technologie kan in smartphones worden geïnstalleerd, waardoor we een stap dichter bij bovenmenselijke röntgenzichtmogelijkheden (zonder röntgenstraling) komen.
"Deze technologie lijkt op bovenmenselijk röntgenzicht", zegt Kenneth O, hoogleraar elektrotechniek aan de Universiteit van Texas en directeur van het Texas Center of Analog Excellence (TxACE) en een van de co-auteurs van het onderzoek. "Natuurlijk gebruiken we een signaal van 200 tot 400 gigahertz in plaats van potentieel schadelijke röntgenstraling."
De imager-microchiptechnologie, voor het eerst gedemonstreerd in 2022, is het resultaat van meer dan 15 jaar werk van O en zijn team van studenten, onderzoekers en medewerkers. De chip zendt straling uit in het terahertz (THz) bereik, dit is elektromagnetische straling met een frequentiebereik tussen 0,1 terahertz (100 gigahertz) en 10 terahertz, met overeenkomstige golflengten variërend van 3 millimeter tot 0,03 millimeter. Deze golven zijn onzichtbaar voor het menselijk oog en worden als veilig beschouwd, met frequenties hoger dan radiogolven en microgolven, maar lager dan infrarood.
Met het model uit 2022 heeft O aangetoond dat de door de microchip gegenereerde 430GHz-straal mist, stof en andere obstakels kan doordringen waar optisch licht niet doorheen kan dringen. Ze weerkaatsen tegen het object en reflecteren terug naar de microchip, waar de pixels het signaal ontvangen en een beeld genereren. Deze imager maakt geen gebruik van externe lenzen, die vaak worden gebruikt om de helderheid en scherpte van het beeld te verbeteren. In plaats daarvan maakt het gebruik van complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS), die wordt gebruikt om moderne consumentencomputerprocessors, geheugenchips en andere digitale apparaten te maken.
CMOS is een betaalbare manier geworden om terahertz-signalen te genereren en te detecteren, vooral bij frequenties van 200 gigahertz en hoger, waar het een betere resolutie biedt. Daarom wilden de onderzoekers de beeldkwaliteit van hun 2022-model verbeteren en de technologie klein genoeg maken om in een draagbaar apparaat te passen. De nieuwe beeldchip maakt gebruik van een 1x3 array van 296GHz CMOS-pixels en heeft ook geen lens.
"De chip die we hebben ontworpen heeft geen lenzen of optica, dus hij kan in mobiele apparaten worden geïnstalleerd", zegt Wooyeol Choi, corresponderende auteur van het artikel en assistent-professor bij de afdeling Elektrotechniek en Computertechniek aan de Shanghai Jiao Tong Universiteit. "Pixels genereren beelden door signalen te detecteren die worden gereflecteerd door doelobjecten, die de vorm hebben van vierkanten van 0,5 mm, ongeveer zo groot als een zandkorrel."
De technologie is getest om met karton bedekte objecten (een USB-dongle, een mes, een geïntegreerd circuit en een plastic pakking) vanaf ongeveer een centimeter afstand af te beelden. Om veiligheids- en privacyredenen hebben de onderzoekers de camera opzettelijk op zo'n korte afstand van het object gescand. Het idee is eigenlijk om de zorgen weg te nemen dat een dief het apparaat zou kunnen gebruiken om de inhoud van iemands tas van een afstand te scannen. De onderzoekers zijn van plan om de volgende iteratie in staat te stellen beelden te maken vanaf een afstand van 12,7 centimeter.
Brian Ginsburg, directeur van RF/millimetergolf- en hogesnelheidsonderzoek bij Texas Instruments (TI) Kilby Labs, zei: "Vijftien jaar onderzoek, een honderd miljoenvoudige toename in pixelprestaties en digitale signaalverwerkingstechnologie maakten deze beelddemonstratie mogelijk. Deze disruptieve technologie demonstreert de potentiële mogelijkheden van echte terahertz-beeldvorming."
De onderzoekers stellen zich voor dat de microchip-imager van hun smartphone voor van alles wordt gebruikt, van het vinden van muurstijlen en houten balken achter muren tot het identificeren van scheuren in leidingen en de inhoud van enveloppen en pakketten. Ze geloven ook dat het toepassingen zou kunnen hebben op medisch gebied.
Dit onderzoek werd ondersteund door het Millimeter-Wave and High-Frequency Microsystems Fundamental Technology Research Program van Texas Instruments (TI) en het Global Research Expansion Program van Samsung.
Dit onderzoek is gepubliceerd in IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.