Banebrydende buet sensor kan dramatisk forbedre billedkvaliteten optaget med digitale kameraer

Hvis du nogensinde har prøvet at tage et billede i en mørk restaurant, du ved, at det er svært at få en klar, kvalitetsbillede. I fremtiden, kameraer måske ikke kæmper under disse forhold takket være en nyudviklet metode til sfærisk krumning af de flade billedsensorer, der findes i nutidens digitale kameraer.

"Vores tilgang til at krumme kommercielt tilgængelige billedsensorer kunne gøre det muligt at have en ny klasse kamera, der ville være meget lille, men har billedkvalitet, der kan sammenlignes med billedsensorer, der findes i meget større kameraer, " sagde Brian Günter, leder af Microsoft Research-teamet. "Ud over at forbedre forbrugerkameraer, buede sensorer kunne bruges til at skabe bedre kameraer til overvågning, hovedmonterede displays og fremskridt inden for autonom køretøjsnavigation.

De fleste af nutidens kameraer bruger linser lavet af flere optiske elementer, der korrigerer for forskellige optiske fejl, eller aberrationer, og som også manipulerer billedet, så det kan detekteres af en flad sensor. Ved hjælp af en buet, snarere end flad, billedsensor betyder, at de optiske elementer skal gøre mindre arbejde for at korrigere og udjævne billedet, gør det muligt at bruge færre optiske elementer. Dette betyder ikke kun mindre, hurtigere og billigere objektiver, men gør det også lettere at forbedre andre egenskaber ved de optiske komponenter.

"Når du bruger buede sensorer, det er muligt at korrigere aberrationer på en meget mere effektiv måde, gør det nemmere at skabe meget vidvinkelobjektiver, der giver skarpe billeder på tværs af hele synsfeltet, eller at skabe hurtige linser, der giver bedre billeder i svagt lys, " sagde Neel Joshi, et medlem af forskergruppen. "Det er også mere ligetil at lave kameraer, der udviser ensartet belysning over hele billedet."

I tidsskriftet The Optical Society Optik Express , forskere fra Microsoft Research and Research and Development Laboratory HRL Laboratories LLC, rapporterer, at deres nye metode kan skabe billedsensorer med tre gange mere sfærisk krumning end tidligere rapporteret. De har været i stand til at inkorporere en af ​​sensorerne i et prototypekamera. Sammenlignet med nutidens avancerede kommercielle single-lens reflex camera (SLR) kameraer, kameraet med den nye sensor producerede billeder i højere opløsning på tværs af hele synsfeltet.

"Selvom fordelene ved at bruge buede sensorer har været kendt i nogen tid, vores arbejde gør det nu praktisk at skabe kameraer med buede sensorer, " sagde Richard Stoakley, et medlem af forskergruppen. "At tilføje sfærisk krumning til en hyldevare billedsensor kan gøres til en rimelig pris og på en måde, der viser betydelige fordele."

Skaber det ideelle kamera

Den nye tilgang til at skabe buede sensorer voksede ud af et spørgsmål, som forskerne stillede sig selv for omkring syv år siden:"Hvordan ville et ideelt kamera være?" De besluttede, at sådan et kamera ville tage billeder under meget svagt lys, være meget lille, og producere ekstremt skarpe billeder.

"Dengang det var ikke muligt at lave sådan et kamera, " sagde Guenter. "Vi troede, at hvis vi kunne forbedre et kameras optik ved at skabe et hurtigere objektiv, vi kunne potentielt bruge en mindre sensor, mens vi stadig samler nok lys til at få et godt billede. Det motiverede os til at begynde at undersøge buede sensorer som en måde at potentielt opnå banebrydende ydeevne."

For at lave buede sensorer, forskerne placerede individuelle sensorer skåret fra en fortyndet CMOS billedsensor wafer i specialfremstillede forme og brugte derefter pneumatisk tryk til at skubbe hver sensor ned i formen. Andre forsøg på at bue en sensor har typisk involveret limning af kanterne og forsøg på at skubbe på midten af ​​sensoren. Imidlertid, dette skaber punkter med høj stress, der får sensoren til at splintre, før den når målet for krumning.

Forskerne lokkede betydeligt mere krumning ud af sensorerne ved at lade dem flyde frit under bøjningsprocessen, hvilket gjorde det muligt for stress at forsvinde gradvist. De brugte også en speciel formet form, der meget langsomt opbygger stress omkring chippens kanter, når den presses ind i formen. Microsoft kontraherede HRL Laboratories, som har halvlederfremstillingskapaciteter og udstyr, at hjælpe med at løse nogle af de specifikke fysiske udfordringer, der er involveret i at bøje sensorerne.

"Dette arbejde involverede omfattende mængder af eksperimenter, " sagde Joshi. "Hver eneste involverede overflade skal behandles omhyggeligt for at udvise de nøjagtige egenskaber, der er nødvendige for, at sensoren kan ende med den rigtige mængde stress uden at gå i stykker."

Tests viste, at krumming af sensorerne ikke ændrede nogen af ​​deres elektriske eller billeddannende egenskaber. Når det bruges i et prototypekamera med et specielt designet f/1.2-objektiv, en buet sensor udviste en opløsning mere end dobbelt så stor som et avanceret spejlreflekskamera med et lignende objektiv. Mod kanterne af billedet, den buede sensor var omkring fem gange skarpere end spejlreflekskameraet.

Selvom de fleste kameraer udviser nedsat lysdetektion rundt om hjørnerne af billedsensoren, forskerne viste, at de buede sensorer næsten ikke mistede lys. Dette var en væsentlig forbedring sammenlignet med faldet på omkring 90 procent målt for det kommercielle spejlreflekskamera.

"Vi viste, at du kan tage en hyldesensor, kurve det og dramatisk forbedre ydeevnen af ​​det optiske system, " sagde Guenter. "Dette kan gøres med relativt lave omkostninger og faktisk ingen ulemper."

Buede sensorer til mobiltelefoner

Selvom prototypekameraet, der er rapporteret i avisen, er omtrent på størrelse med et lille forbrugerkamera, forskerne siger, at linserne kunne gøres små nok til mobiltelefoner og tablets. Det burde også være muligt at bygge maskiner, der kunne masseproducere disse buede sensorer, gør det muligt at indarbejde den yderligere behandling i eksisterende sensorfremstilling på en måde, der ville afskrive godt i volumenproduktion.

Forskerne arbejder nu på at se, om yderligere forbedringer kan producere sensorer med endnu mere krumning. De ønsker også at eksperimentere med kurvede sensorer, der fungerer i infrarøde bølgelængder, som kunne være nyttige til teleskoper, 3D rumlig kortlægning, biometrisk autentificering og forskellige videnskabelige anvendelser. Selvom de advarer om, at det er usandsynligt, at kommercielle produkter med de buede sensorer snart vil være tilgængelige, de er interesserede i at arbejde sammen med andre virksomheder for at forbedre sensorerne yderligere og udføre de anstrengende robusthedstests, der ville være nødvendige for at forberede sig til masseproduktion.

"Jeg tror, ​​vi har åbnet døren for en helt ny klasse af linser, " sagde Stoakley. "Jeg er spændt på at se, hvordan vores gruppe og andre bruger buede sensorer til at opnå endnu flere forbedringer i kamerakvalitet gennem innovativt objektivdesign."