Beeldsensoren meten de lichtintensiteit, maar hoek, spectrum en andere aspecten van licht moeten ook worden geëxtraheerd om het machinezicht aanzienlijk te verbeteren.

In Letters Toegepaste Natuurkunde , benadrukken onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison, Washington University in St. Louis, en OmniVision Technologies de nieuwste nanogestructureerde componenten die zijn geïntegreerd in beeldsensorchips die waarschijnlijk de grootste impact zullen hebben bij multimodale beeldvorming.

De ontwikkelingen kunnen autonome voertuigen in staat stellen om hoeken te kijken in plaats van alleen een rechte lijn, biomedische beeldvorming om afwijkingen op verschillende weefseldiepten te detecteren en telescopen om door interstellair stof te kijken.

"Beeldsensoren zullen geleidelijk een overgang ondergaan om de ideale kunstmatige ogen van machines te worden", zei co-auteur Yurui Qu van de Universiteit van Wisconsin-Madison. "Een evolutie die gebruikmaakt van de opmerkelijke prestatie van bestaande beeldsensoren zal waarschijnlijk meer directe effecten genereren."

Beeldsensoren, die licht omzetten in elektrische signalen, zijn samengesteld uit miljoenen pixels op een enkele chip. De uitdaging is hoe multifunctionele componenten als onderdeel van de sensor kunnen worden gecombineerd en geminiaturiseerd.

In hun eigen werk hebben de onderzoekers een veelbelovende aanpak beschreven om spectra met meerdere banden te detecteren door een spectrometer op de chip te fabriceren. Ze deponeerden fotonische kristalfilters gemaakt van silicium direct bovenop de pixels om complexe interacties tussen invallend licht en de sensor te creëren.

De pixels onder de films registreren de verdeling van lichtenergie, waaruit lichtspectrale informatie kan worden afgeleid. Het apparaat - minder dan een honderdste van een vierkante inch groot - is programmeerbaar om te voldoen aan verschillende dynamische bereiken, resolutieniveaus en bijna elk spectraal regime, van zichtbaar tot infrarood.

De onderzoekers bouwden een component die hoekinformatie detecteert om diepte te meten en 3D-vormen te construeren op subcellulaire schalen. Hun werk is geïnspireerd op directionele gehoorsensoren die worden aangetroffen bij dieren, zoals gekko's, waarvan de hoofden te klein zijn om te bepalen waar geluid vandaan komt op dezelfde manier als mensen en andere dieren. In plaats daarvan gebruiken ze gekoppelde trommelvliezen om de richting van het geluid te meten binnen een grootte die orden van grootte kleiner is dan de corresponderende akoestische golflengte.

Evenzo werden paren silicium nanodraden geconstrueerd als resonatoren om optische resonantie te ondersteunen. De optische energie opgeslagen in twee resonatoren is gevoelig voor de invalshoek. De draad die zich het dichtst bij het licht bevindt, stuurt de sterkste stroom. Door de sterkste en zwakste stromen van beide draden te vergelijken, kan de hoek van de inkomende lichtgolven worden bepaald.

Miljoenen van deze nanodraden kunnen op een chip van 1 vierkante millimeter worden geplaatst. Het onderzoek zou de vooruitgang op het gebied van lensloze camera's, augmented reality en robotvisie kunnen ondersteunen.

Het artikel "Multimodale lichtgevoelige pixelarrays" is geschreven door Yurui Qu, Soongyu Yi, Lan Yang en Zongfu Yu. Het artikel zal verschijnen in Applied Physics Letters op 26 juli 2022. + Verder verkennen

Kleine lichtdetectoren werken als gekko-oren