كاميرا طيفية متكيفة مدمجة ممكنة بشريحة ترشيح فابري-بيرو MEMS في الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة

عيون أكثر حدة للحرارة

الكثير من الأشياء في عالمنا تتوهّج بضوء حراري غير مرئي، من محركات السيارات إلى مداخن المصانع. يقدم هذا البحث نوعًا جديدًا من الكاميرات القادرة على رؤية تلك الحرارة بتفاصيل شبيهة بالألوان الدقيقة، مع أنها صغيرة وخفيفة بما يكفي للحمل على طائرة بدون طيار. يمكن لأداة كهذه أن تساعد في رصد التلوث، والبحث عن أشياء مخفية، ودراسة الصخور أو المواد الكيميائية عن بُعد.

لماذا تهم ألوان الحرارة

تحول كاميرات الحرارة العادية الأشعة تحت الحمراء غير المرئية إلى صور تُظهر مناطق حارة وباردة، لكنها عادةً ما تدمج العديد من ألوان الحرارة معًا. يذهب التصوير الطيفي في نطاق الأشعة تحت الحمراء طويلة الموجة أبعد من ذلك بتقسيم الحرارة إلى نطاقات ضيقة متعددة، إلى حد ما كما يفرق قوس قزح الضوء المرئي. لكل غاز أو سائل أو صلب نمط فريد عبر هذه النطاقات، لذا فإن تسجيلها يمكّن العلماء من تمييز المواد، وقياس التلوث، والتعرّف على الأهداف حتى في الليل أو الضباب. الأجهزة الحالية التي تنجز هذا بشكل جيد تكون كبيرة وثقيلة وتعتمد على أجزاء متحركة تمسح ببطء، مما يقيد أماكن وكيفية استخدامَها.

شريحة صغيرة في قلب الكاميرا

عالج الباحثون هذه المشكلة ببناء قلب الكاميرا حول شريحة خاصة تُسمى مرشح فابري–بيرو MEMS. داخل هذه الشريحة، تواجه مرآتان صغيرتان بعضهما بعضًا لتشكّلا فجوة ضيقة للضوء. بتحريك إحدى المرآتين بمقادير ضئيلة باستخدام قوى كهربومغناطيسية، تسمح الشريحة بمرور جزء محدد من طيف الأشعة تحت الحمراء في أي لحظة. أظهر الفريق سابقًا أن شريحتهم تعمل عبر نطاق 8 إلى 12 ميكرومتر حيث تقع العديد من بصمات الحرارة المهمة، وأن استجابتها تتغير بسلاسة وبشكل قابل للتنبؤ مع التيار الكهربائي. في هذا العمل قاموا بتغليف الشريحة في وحدة متينة وأظهروا أنها قادرة على المسح عبر الأطوال الموجية بأنماط مختلفة، من خطوات خشنة إلى مسوح دقيقة، أو القفز إلى أي مجموعة مبرمجة من النطاقات.

بناء كاميرا ألوان حرارية مدمجة

باستخدام هذا المرشح القابل للضبط، صمم المؤلفون نظام تصوير كامل أطلقوا عليه مصفح الصور الطيفية المدمجة والمتكيّفة (CASI). وضعوا الشريحة أمام العدسة، بحيث يمر الضوء الداخل أولًا عبر المرشح قبل أن يصل إلى كاشف أشعة تحت حمراء صغير غير مبرد. يحافظ هذا الترتيب على دخول الضوء إلى المرشح بشكل شبه عمودي، مما يقلّص التحولات غير المرغوبة في الطول الموجي المحدد ويجعل الوحدة سهلة الاستبدال. الوحدة النهائية بحجم ووزن قالب طوب صغير تقريبًا، وأصغر بكثير من الأنظمة التجارية التي تقدم تغطية مماثلة. ينسّق حاسوب تحكم خفيف الوزن توقيت المرشح والكاميرا، ويقرر أي ألوان الحرارة تُسجّل ومتى، ويبني كتلة بيانات ثلاثية الأبعاد يكون كل شريحة فيها صورة عند نطاق حراري مختلف.

السماح للكاميرا بالتكيّف مع المهمة

قوة CASI الأساسية أنها لا تحتاج دائمًا لتجميع مجموعة كثيفة كاملة من ألوان الحرارة. عند دراسة مشهد جديد، يمكن للنظام أولًا إجراؤ مسح بطيء ودقيق لالتقاط معلومات مفصلة. من هذه البيانات الغنية، يمكن للبرمجيات اختيار النطاقات التي تفصل الأهداف عن محيطها بأفضل شكل. لاحقًا، يمكن للمتحكم أن يؤمر الشريحة لاستخدام تلك القنوات المختارة فقط، ما يقلّل عدد الصور ويسرّع الالتقاط. يبرهن المؤلفون هذه الفكرة باستخدام مركبات في حقل خارجي. مع المسوح الكاملة يقيسون كيف تختلف ألوان الحرارة للسيارات عن السماء والنباتات. ثم، باستخدام طريقة اختيار رياضية، يختارون عددًا قليلاً من النطاقات المفيدة ويبرمجون CASI لتسجيلها فقط، فينشئون كتلة بيانات أقل سُمكًا ولكنها تحافظ على التباين المطلوب.

اكتشاف الأهداف المخفية بكفاءة أكبر

ربط الفريق بعد ذلك هذا النهج التكيفي مع طريقة قياسية للكشف عن الأهداف. في مشهد يحتوي على مركبات حقيقية ومضللة، يصعب في صورة ملونة عادية تمييز الحقيقية منها. باستخدام النطاقات تحت الحمراء المختارة فقط، يبني CASI مجموعة طيفية مدمجة لنفس المشهد. تبحث خوارزمية كشف عن البكسلات التي يبرز نمط ألوان حرارتها عن المحيط وتعلّمها كأهداف محتملة. تُظهر النتائج أن النظام قادر على تمييز المركبات الحقيقية بدقة عالية، مع العمل بعدد نطاقات أقل مما يتطلبه مسح طيفي شامل. هذا يثبت أن الاختيار الذكي للنطاقات، مضافًا إلى أجهزة مرنة، يمكن أن يقلّل حجم البيانات والوقت دون التضحية بأداء الكشف.

ما الذي يعنيه هذا للمستقبل

بكلمات بسيطة، توضح الدراسة كيفية تقليص كاميرا طيفية للحرارة بحجم مختبر إلى صندوق مدمج يمكنه تغيير طريفة رؤيته للعالم بسرعة. من خلال ضبط شريحة مرآة متحركة صغيرة وتنسيقها مع كاشف صغير، يمكن لنظام CASI التبديل بين الدراسة المفصّلة والبحث السريع، والتركيز فقط على ألوان الحرارة الأكثر دلالة لمهمة معينة. رغم أن حساسيته لا تزال أقل من أدوات أكبر مبردة، يرى المؤلفون مسارات واضحة للتحسين. مع مزيد من تحسين البصريات والبرمجيات المدمجة، قد تصبح أجهزة التصوير الطيفي المتكيّفة هذه أدوات شائعة لرصد التلوث، ومسح المعادن، وتنفيذ مهام أمنية وبحثية من الطائرات بدون طيار ومنصات صغيرة أخرى.

الاستشهاد: Zhou, K., Wang, X., Tong, G. et al. Compact adaptive spectral imager enabled by MEMS Fabry-Perot filtering chip in longwave infrared. Microsyst Nanoeng 12, 207 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01300-6

الكلمات المفتاحية: تصوير بالأشعة تحت الحمراء, التصوير الطيفي, مرشح MEMS, الاستشعار عن بعد, الكشف عن الأهداف