Naukowcy stworzyli filtr światła na półprzewodniku 2D, który unowocześnił niedrogi aparat i otworzył nową drogę do komputerów optycznych

Zespół naukowców z Instytutu Badawczego NanoSystems na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles opracował urządzenie redukujące odblaski na obrazach. Opracowanie wykorzystujące technologię półprzewodników 2D może wykorzystać światło otoczenia jako zaawansowany „inteligentny filtr”. Twórcy twierdzą, że ich filtr pomaga znacznie poprawić jakość zdjęć z niedrogich aparatów.

Powstałe urządzenie ma wymiary 1 x 1 centymetr i zawiera ultracienki, przezroczysty chip o grubości zaledwie kilku atomów, zawierający układ pikseli o wymiarach 100 na 100.

„Niedrogie urządzenie o wielkości kilku centymetrów może sprawić, że kamera o niskim poborze mocy będzie działać jak kamera o ultrawysokiej rozdzielczości. Znacząco obniżyłoby to koszty dostępu do technologii obrazowania i skanowania w wysokiej rozdzielczości” – komentuje Aydogan Ozcan, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej na Uniwersytecie Kalifornijskim w Los Angeles oraz współautor badania. Szczegóły badania opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.

Zespół naukowców poszukiwał materiału o minimalnej absorpcji światła, a jednocześnie zdolnego do wygenerowania sygnału wystarczającego do przetworzenia światła. Obiektem badań jest przezroczysta płaszczyzna o wymiarach jednego centymetra kwadratowego. Wykorzystuje dwuwymiarowy półprzewodnik, który jest cienką warstwą o grubości kilku atomów. Materiał ze względu na swoją cienkość jest przezroczysty, mimo to ma właściwości, które pozwalają przechodzącym przez niego fotonom skutecznie kontrolować przewodność elektryczną. Aby półprzewodnik 2D mógł działać, jest on połączony za pomocą elektrod z warstwą ciekłokrystaliczną. Produktem końcowym jest inteligentny filtr o rozdzielczości 10 000 pikseli, który może szybko i selektywnie przyciemniać się w sposób nieliniowy w odpowiedzi na szerokopasmowe światło otoczenia.

Według zespołu każdy piksel w filtrze może przejść od pełnej przezroczystości przez częściową przezroczystość do pełnego krycia. Warto zauważyć, że do gwałtownej zmiany stanu wymagana jest minimalna liczba fotonów. Naukowcy zademonstrowali swój wynalazek za pomocą aparatu w smartfonie, który skutecznie redukował odblaski na obrazach.

Oprócz redukcji odblasków kamery, technologia ta ma szeroki potencjał zastosowań konsumenckich i przemysłowych. Można go np. zastosować w zaawansowanych systemach autonomicznego rozpoznawania pojazdów oraz w kamerach potrafiących identyfikować jedne obiekty, a inne ukrywając, w szyfrowaniu obrazu czy do szybkiej i dokładnej identyfikacji usterek na zrobotyzowanych liniach montażowych.

Jak zauważają naukowcy, taki filtr ma wiele zalet. Umożliwia na przykład przetwarzanie przychodzących obrazów bez konieczności konwertowania ich na sygnał cyfrowy, przyspieszając w ten sposób wyniki i minimalizując dane wysyłane do chmury w celu cyfrowego przetwarzania i przechowywania.

Twórcy spodziewają się, że ich technologia znajdzie w przyszłości zastosowanie w tanich aparatach. Ponadto może przyczynić się do rozwoju komputerów optycznych. Jednym z kluczowych problemów tego ostatniego była trudność w uzyskaniu odpowiedzi nieliniowych, które są kluczowe dla generowania sygnałów, które nie są ściśle proporcjonalne do sygnału wejściowego. Nieliniowość jest z kolei kluczowa dla tworzenia uniwersalnych systemów obliczeniowych, w tym sztucznej inteligencji.

Nieliniowe materiały i urządzenia będące w fazie opracowywania wymagają znacznego dopływu światła, aby działać efektywnie. Aby sprostać tej potrzebie, należy oprzeć się na laserach dużej mocy, ograniczonych do wąskiego pasma widma elektromagnetycznego. Alternatywnie można zastosować materiały o niskim współczynniku absorpcji światła, ale powoduje to zmniejszenie szybkości przetwarzania. Ponadto wymaga to stosowania materiałów energooszczędnych, które mogą pochłaniać znaczne ilości światła, ale nie nadają się do zastosowań, w których priorytetem jest efektywność świetlna lub przezroczystość.

Badanie przeprowadzone na Uniwersytecie Kalifornijskim wykazało, że niewielka liczba przezroczystych pikseli może generować szybką, szeroko zakrojoną i nieliniową reakcję na światło otoczenia o małej mocy. „Obecne rozwiązania w zakresie optyki nieliniowej są daleko w tyle za tym, czego potrzebujemy w zastosowaniach obliczeń wizualnych. Potrzebujemy także niskoenergetycznych, szerokopasmowych, niskostratnych i szybkich nieliniowości dla systemów optycznych. Nasz rozwój pomaga rozwiązać ten problem” – dodał Ozcan.