Als je ooit hebt geprobeerd een foto te maken in een donker restaurant, je weet dat het moeilijk is om een ​​duidelijk, kwaliteitsbeeld. In de toekomst, camera's hebben het onder deze omstandigheden misschien niet moeilijk dankzij een nieuw ontwikkelde methode voor het sferisch buigen van de platte beeldsensoren in de huidige digitale camera's.

"Onze benadering van gebogen in de handel verkrijgbare beeldsensoren zou het mogelijk kunnen maken om een ​​nieuwe klasse camera's te hebben die erg klein zou zijn, maar een beeldkwaliteit hebben die vergelijkbaar is met beeldsensoren in veel grotere camera's, " zei Brian Guenter, leider van het Microsoft Research-team. "Naast het verbeteren van consumentencamera's, gebogen sensoren kunnen worden gebruikt om betere camera's voor bewaking te maken, op het hoofd gemonteerde displays en verbeteringen in autonome voertuignavigatie.

De meeste hedendaagse camera's gebruiken lenzen die zijn gemaakt van meerdere optische elementen die verschillende optische fouten corrigeren, of afwijkingen, en die ook het beeld manipuleren zodat het kan worden gedetecteerd door een platte sensor. Met behulp van een gebogen, in plaats van plat, beeldsensor betekent dat de optische elementen minder werk hoeven te doen om het beeld te corrigeren en af ​​te vlakken, waardoor het mogelijk is om minder optische elementen te gebruiken. Dit vertaalt zich niet alleen in kleinere, snellere en goedkopere lenzen, maar maakt het ook gemakkelijker om andere eigenschappen van de optische componenten te verbeteren.

"Bij het gebruik van gebogen sensoren, het is mogelijk om aberraties op een veel efficiëntere manier te corrigeren, het gemakkelijker maken om zeer groothoeklenzen te maken die scherpe beelden over het hele gezichtsveld produceren of om snelle lenzen te maken die betere beelden produceren bij weinig licht, " zei Neel Joshi, een lid van het onderzoeksteam. "Het is ook eenvoudiger om camera's te maken met een uniforme verlichting over het hele beeld."

In het tijdschrift The Optical Society Optica Express , onderzoekers van Microsoft Research en onderzoeks- en ontwikkelingslaboratorium HRL Laboratories LLC, melden dat hun nieuwe methode beeldsensoren kan maken met drie keer meer sferische kromming dan eerder gemeld. Ze hebben een van de sensoren kunnen inbouwen in een prototype camera. Vergeleken met de hedendaagse high-end commerciële spiegelreflexcamera's (SLR) de camera met de nieuwe sensor produceerde beelden met een hogere resolutie over het hele gezichtsveld.

"Hoewel de voordelen van het gebruik van gebogen sensoren al enige tijd bekend zijn, ons werk maakt het nu praktisch om camera's met gebogen sensoren te maken, " zei Richard Stoakley, een lid van het onderzoeksteam. "Het toevoegen van sferische kromming aan een standaard beeldsensor kan worden gedaan voor een redelijke prijs en op een manier die aanzienlijke voordelen oplevert."

De ideale camera creëren

De nieuwe benadering voor het maken van gebogen sensoren kwam voort uit een vraag die de onderzoekers zichzelf ongeveer zeven jaar geleden stelden:"Hoe zou een ideale camera eruit zien?" Ze besloten dat zo'n camera foto's zou maken bij zeer weinig licht, heel klein zijn, en produceren extreem scherpe foto's.

"Destijds, het was niet mogelijk om zo'n camera te maken, " zei Guenter. "We dachten dat als we de optica van een camera konden verbeteren door een snellere lens te maken, we zouden mogelijk een kleinere sensor kunnen gebruiken terwijl we toch voldoende licht verzamelen om een ​​goed beeld te krijgen. Dat motiveerde ons om te beginnen met het onderzoeken van gebogen sensoren als een manier om mogelijk baanbrekende prestaties te bereiken."

Om gebogen sensoren te maken, de onderzoekers plaatsten individuele sensoren gesneden uit een verdunde CMOS-beeldsensorwafel in op maat gemaakte mallen en gebruikten vervolgens pneumatische druk om elke sensor in de mal te duwen. Andere pogingen om een ​​sensor te buigen, waren meestal het lijmen van de randen naar beneden en proberen op het midden van de sensor te duwen. Echter, dit creëert punten met hoge spanning die ervoor zorgen dat de sensor versplintert voordat deze het beoogde krommingsniveau bereikt.

De onderzoekers haalden significant meer kromming uit de sensoren door ze vrij te laten zweven tijdens het buigproces, waardoor de spanningen geleidelijk konden verdwijnen. Ze gebruikten ook een speciaal gevormde mal die heel langzaam spanning opbouwt rond de randen van de chip terwijl deze in de mal wordt geperst. Microsoft heeft HRL Laboratoria gecontracteerd, die beschikt over mogelijkheden en apparatuur voor de fabricage van halfgeleiders, om te helpen bij het oplossen van enkele van de specifieke natuurkundige uitdagingen die gepaard gaan met het buigen van de sensoren.

"Dit werk omvatte veel experimenten, " zei Joshi. "Elk betrokken oppervlak moet zorgvuldig worden behandeld om de exacte eigenschappen te vertonen die nodig zijn om de sensor de juiste hoeveelheid stress te laten krijgen zonder te breken."

Tests toonden aan dat het buigen van de sensoren hun elektrische of beeldvormende eigenschappen niet veranderde. Bij gebruik in een prototype camera met een speciaal ontworpen f/1.2 lens, een gebogen sensor vertoonde een resolutie die meer dan het dubbele was van die van een high-end spiegelreflexcamera met een vergelijkbare lens. Naar de randen van het beeld, de gebogen sensor was ongeveer vijf keer scherper dan de spiegelreflexcamera.

Hoewel de meeste camera's minder licht detecteren rond de hoeken van de beeldsensor, de onderzoekers toonden aan dat de gebogen sensoren bijna geen licht verloren. Dit was een aanzienlijke verbetering ten opzichte van de daling van ongeveer 90 procent gemeten voor de commerciële spiegelreflexcamera.

"We hebben laten zien dat je een kant-en-klare sensor kunt pakken, buig het en verbeter drastisch de prestaties van het optische systeem, "zei Guenter. "Dit kan worden gedaan met relatief lage kosten en in feite geen nadeel."

Gebogen sensoren voor mobiele telefoons

Hoewel het prototype van de camera die in de krant wordt vermeld, ongeveer zo groot is als een kleine consumentencamera, de onderzoekers zeggen dat de lenzen klein genoeg kunnen worden gemaakt voor mobiele telefoons en tablets. Het moet ook mogelijk zijn om machines te bouwen die deze gebogen sensoren in massa kunnen produceren, waardoor de extra verwerking kan worden opgenomen in de bestaande sensorproductie op een manier die goed zou afschrijven in volumeproductie.

De onderzoekers onderzoeken nu of verdere verbeteringen sensoren met nog meer kromming kunnen opleveren. Ze willen ook experimenteren met gebogen sensoren die werken in infrarode golflengten, die nuttig kunnen zijn voor telescopen, 3D ruimtelijke mapping, biometrische authenticatie en diverse wetenschappelijke toepassingen. Hoewel ze waarschuwen dat het onwaarschijnlijk is dat commerciële producten met de gebogen sensoren binnenkort beschikbaar zullen zijn, ze zijn geïnteresseerd in samenwerking met andere bedrijven om de sensoren verder te verbeteren en om de zware robuustheidstesten uit te voeren die nodig zijn om zich voor te bereiden op massaproductie.

"Ik denk dat we de deur hebben geopend voor een geheel nieuwe klasse lenzen, " zei Stoakley. "Ik ben verheugd om te zien hoe onze groep en anderen gebogen sensoren gebruiken om nog meer verbeteringen in de camerakwaliteit te bereiken door middel van innovatief lensontwerp."