(Phys.org) — De meeste digitale camera's van tegenwoordig bereiken kleur door rood, groente, en blauwe Bayer-kleurenfilters waar licht doorheen gaat op weg naar de beeldsensoren van de camera, die het licht vervolgens omzetten in elektrische signalen. Hoewel deze kleurfiltertechnologie zeer wijdverbreid is, het heeft enkele nadelen met betrekking tot duurzaamheid, lage absorptiecoëfficiënt, en fabricage complexiteit. In aanvulling, het geabsorbeerde licht in het kleurenfilter kan niet worden omgezet in fotostroom. Om de efficiëntie in de trends van hogere pixeldichtheid te maximaliseren, dit licht moet worden omgezet in fotostroom.

In de laatste paar jaren, onderzoekers hebben nieuwe manieren onderzocht om kleur te bereiken in digitale camera's die niet afhankelijk zijn van conventionele organische kleurstoffilters. In een nieuw artikel gepubliceerd in Nano-letters , een team van onderzoekers van de Harvard University in Cambridge, Massachusetts, en Zena Technologies Inc., in Topsfield, Massachusetts, hebben een nieuwe filtervrije benadering van kleurenbeeldvorming gepresenteerd. De techniek maakt gebruik van silicium nanodraden met verschillende stralen om specifieke golflengten te absorberen, en dus kleuren, van licht en zet het licht om in fotostroom.

"Onze op nanodraad gebaseerde benadering voert kleurenbeeldvorming uit zonder conventionele kleurfilters, " vertelde co-auteur Kenneth B. Crozier van de Harvard University: Phys.org . "Dit heeft twee grote voordelen. Ten eerste, onze aanpak vereenvoudigt het fabricageproces. Op nanodraad gebaseerde beeldsensorpixels met verschillende kleurreacties kunnen tegelijkertijd worden gedefinieerd via een enkele lithografiestap. Dit betekent dat er geen extra materialen of herhaalde depositiestappen nodig zijn voor het scheiden van kleuren. Tweede, onze aanpak opent de weg om de efficiëntie van een beeldsensor te verhogen. Elke nanodraad vangt licht van een specifieke kleur, en zet het om in fotostroom. Als we substraatfotodetector toevoegen, we kunnen de rest van het spectrum vastleggen. Op deze manier, de beeldsensor kan een hogere efficiëntie hebben, omdat fotonen niet zouden worden weggegooid door absorberende filters."

De nieuwe aanpak maakt gebruik van de unieke optische en elektrische eigenschappen van eendimensionale halfgeleider nanodraden. Eerder onderzoek heeft aangetoond dat silicium nanodraden golflengten van licht absorberen die variëren met de straal van de nanodraad, waardoor controle van lichtabsorptie mogelijk is door nanodraden te fabriceren met gecontroleerde stralen met behulp van een enkele lithografiestap. Echter, tot nu toe zijn er geen experimenten met kleurenbeeldvorming uitgevoerd met silicium nanodraden, deels vanwege de moeilijkheid om grote aantallen nanodraden in arrays te assembleren.

In de nieuwe studie de onderzoekers hebben met succes 100 x 100 arrays van verticale nanodraden gefabriceerd met een straal van 80, 100, 120, en 140nm, waardoor de nanodraden verschillende golflengten van licht kunnen absorberen. De onderzoekers toonden aan dat deze op nanodraad gebaseerde fotodetectoren kleurenbeelden van testscènes en de Macbeth ColorChecker-kaart kunnen fotograferen met een kwaliteit die sterk lijkt op die van een conventionele camera.

De nieuwe filtervrije kleurenbeeldvormingstechniek heeft enkele belangrijke voordelen in vergelijking met de conventionele filtertechniek, met misschien wel de belangrijkste een hogere absorptie-efficiëntie die hogere pixeldichtheden en hogere resolutie mogelijk maakt. De onderzoekers voorspellen dat het toevoegen van een onderste fotodetector aan de nanodraadarray het mogelijk zou maken, in principe, zodat het apparaat al het invallende licht absorbeert en omzet in fotostroom. Een dergelijk apparaat heeft het potentieel voor extreem hoge fotonenefficiënties in vergelijking met op filter gebaseerde apparaten, die door hun aard ongeveer de helft van het invallende licht absorberen voordat het de beeldsensor bereikt. De grotere efficiëntie zou dan de weg vrijmaken voor camera's met hogere resoluties. Naast een verbeterde efficiëntie, deze aanpak vereenvoudigt het fabricageproces. Zoals de onderzoekers uitleggen, de pixels met verschillende kleurreacties kunnen tegelijkertijd worden gedefinieerd via een enkele lithografiestap.

Verder, de op nanodraad gebaseerde fotodetectoren bieden ook de mogelijkheid voor multispectrale beeldvorming. Camera's gebruiken multispectrale beeldvorming om licht op verschillende frequenties van het spectrum vast te leggen, inclusief frequenties buiten het zichtbare lichtbereik. Met de nieuwe methode verschillende delen van het spectrum kunnen worden geabsorbeerd door nanodraden met specifieke stralen te fabriceren, een relatief eenvoudig proces in vergelijking met het fabriceren van filters en andere methoden. De onderzoekers zijn van plan om in de toekomst te werken aan verdere verbetering van de fotodetectoren.

"We werken momenteel aan het integreren van substraatfotodetectoren om de efficiëntie te verhogen, zoals we hierboven vermeldden, " zei co-auteur Hyunsung Park aan de Harvard University. "Bovendien, we ontwikkelen elliptische op nanodraad gebaseerde fotodetectoren voor polarisatie-opgeloste beeldvorming. De belangrijkste hindernis voor commercialisering is het hogere donkerstroomniveau van deze apparaten, vanwege het feit dat ze worden geproduceerd door etsen. Dit komt door het feit dat er veel oppervlaktetoestanden zijn, vanwege de grote oppervlakte-tot-volumeverhouding van de nanodraden en schade aan de siliciumkristalstructuur door droog etsen. We geloven dat dit in de toekomst zal worden opgelost door een alternatief fabricageproces of door passiveringslagen toe te voegen."

© 2014 Fysio.org. Alle rechten voorbehouden.