2D-материал может привести к более четким фотографиям смартфона при слабом освещении

Новый тип активного пиксельного датчика, в котором используется новый 2D-материал, может обеспечить сверхчеткие фотографии с мобильных телефонов и создать новый класс чрезвычайно энергоэффективных датчиков Интернета вещей.

«Когда люди ищут новый телефон, какие характеристики они ищут?» говорит профессор Саптарши Дас из Университета штата Пенсильвания.

«Довольно часто они ищут хорошую камеру, а что значит хорошая камера для большинства людей? Четкие фотографии с высоким разрешением».

Большинство людей просто фотографируют друга, семейное собрание или спортивное мероприятие и никогда не думают о том, что происходит «за кулисами» внутри телефона, когда кто-то делает снимок.

Дас говорит, что для того, чтобы вы могли увидеть фотографию сразу после того, как вы ее сделали, происходит довольно много, и это связано с обработкой изображения.

«Когда вы делаете снимок, у многих камер есть какая-то обработка, которая происходит в телефоне, и на самом деле это иногда делает фотографию даже лучше, чем то, что вы видите своими глазами.

Эти телефонные камеры следующего поколения объединяют захват изображений с обработкой изображений, чтобы сделать это возможным, что было невозможно с камерами предыдущих поколений».

Однако у отличных фотографий в новейших камерах есть одна загвоздка — обработка требует много энергии.

«Создание большого количества изображений связано с затратами энергии», — говорит Ахил Додда, аспирант Пенсильванского университета во время исследования, который сейчас является научным сотрудником Western Digital и соавтором исследования. .

«Если вы делаете 10 000 изображений, это нормально, но кто-то оплачивает затраты энергии на это.

Если вы сможете снизить его в сто раз, то сможете сделать в 100 раз больше снимков и при этом потратить столько же энергии. Это делает фотографию более устойчивой, чтобы люди могли делать больше селфи и других фотографий во время путешествий. И именно здесь на сцену выходят инновации в материалах».

Фотографии телефона при слабом освещении

Инновации в материалах, изложенные в исследовании, связаны с тем, как исследователи добавили внутреннюю обработку к активным пиксельным датчикам, чтобы уменьшить их энергопотребление.

Итак, они обратились к новому двумерному материалу, который представляет собой класс материалов толщиной всего в один или несколько атомов, дисульфид молибдена.

Он также является полупроводником и чувствителен к свету, что делает его идеальным материалом для изучения низкоэнергетической обработки изображений в сенсоре.

«Мы обнаружили, что дисульфид молибдена обладает очень хорошей светочувствительностью», — говорит Дарсит Джаячандран, аспирант в области инженерии и механики и соавтор исследования. «Оттуда мы проверили его на другие свойства, которые мы искали».

Эти свойства включали чувствительность к слабому освещению, что важно для динамического диапазона сенсора. Динамический диапазон относится к способности «видеть» объекты как при слабом освещении, таком как лунный свет, так и при ярком свете, таком как солнечный свет. Человеческий глаз может видеть звезды ночью лучше, чем большинство камер, благодаря превосходному динамическому диапазону.

Дисульфид молибдена также продемонстрировал сильное преобразование сигнала, преобразование заряда в напряжение и возможности передачи данных. Это делает материал идеальным кандидатом для использования в качестве датчика с активными пикселями, который может выполнять как считывание света, так и обработку изображений в датчике.

«Оттуда мы объединяем датчики в массив, — говорит Джаячандран. «В массиве из девяти квадратных миллиметров, который мы разработали, 900 пикселей, и каждый пиксель составляет около 100 микрометров. Они намного более чувствительны к свету, чем современные датчики CMOS, поэтому они не требуют дополнительных схем или потребления энергии. Таким образом, каждый пиксель требует гораздо меньше энергии для работы, а это означает лучшую камеру мобильного телефона, которая потребляет гораздо меньше энергии».

Преимущества интернета вещей

По словам Даса, динамический диапазон и обработка изображений позволят пользователям делать четкие фотографии в различных неблагоприятных для фотографии условиях.

«Например, вы можете делать более четкие фотографии друзей на улице ночью, в дождливый или туманный день», — говорит Дас. «Камера может сделать шумоподавление, чтобы убрать туман, а динамический диапазон позволит, скажем, сделать ночную фотографию друга со звездами на заднем плане».

Наряду с возможностью использования в будущем первоклассной телефонной камеры, команда также предполагает, что их улучшенная сенсорная технология может иметь и другие применения. Это будет включать улучшенные датчики света для приложений Интернета вещей (IoT) и Индустрии 4.0.

Индустрия 4.0 — это термин для растущего движения, которое сочетает в себе традиционные отраслевые практики и передовые цифровые технологии, такие как Интернет вещей, облачное хранилище данных и искусственный интеллект/машинное обучение.

Цель состоит в том, чтобы улучшить производство за счет разработки более эффективных процессов и методов с помощью интеллектуальной автоматизации, и датчики играют ключевую роль.

«Датчики, которые могут видеть сквозь машины во время работы и выявлять дефекты, очень важны для Интернета вещей», — говорит Додда.

«Обычные датчики потребляют много энергии, так что это проблема, но мы разработали чрезвычайно энергоэффективный датчик, который обеспечивает лучшее машинное обучение и т. д. и значительно экономит затраты на электроэнергию».

Министерство обороны и Национальный научный фонд поддержали работу.

Автор Джейми Обердик.