Den stablede farvesensor

rød-følsomme, blåfølsomme og grønfølsomme farvesensorer stablet oven på hinanden i stedet for at være opstillet i et mosaikmønster – dette princip kunne gøre det muligt at skabe billedsensorer med hidtil uset opløsning og lysfølsomhed. Imidlertid, indtil nu, virkeligheden har ikke helt levet op til forventningerne. Forskere fra Empa og ETH Zürich har nu udviklet en sensorprototype, der absorberer lys næsten optimalt – og samtidig er billig at producere.

Det menneskelige øje har tre forskellige typer sanseceller til opfattelse af farve:celler, der er henholdsvis følsomme over for rødt, grøn og blå veksler i øjet og kombinerer deres oplysninger for at skabe et samlet farvebillede. Billedsensorer, for eksempel i mobiltelefonkameraer, arbejde på lignende måde:blå, grønne og røde sensorer veksler i et mosaiklignende mønster. Intelligente softwarealgoritmer beregner et farvebillede i høj opløsning ud fra de individuelle farvepixels.

Imidlertid, princippet har også nogle iboende begrænsninger:da hver enkelt pixel kun kan absorbere en lille del af lysspektret, der rammer den, en stor del af lyset går tabt. Ud over, sensorerne har stort set nået grænserne for miniaturisering, og uønskede billedforstyrrelser kan forekomme; disse er kendt som farvemoiré-effekter og skal møjsommeligt fjernes fra det færdige billede.

Kun gennemsigtig for visse farver

Forskere har derfor i en årrække arbejdet på ideen om at stable de tre sensorer i stedet for at placere dem ved siden af ​​hinanden. Selvfølgelig, dette kræver, at sensorerne på toppen slipper de lysfrekvenser igennem, som de ikke absorberer, til sensorerne nedenunder. I slutningen af ​​1990'erne, denne type sensor blev produceret med succes for første gang. Den bestod af tre stablede siliciumlag, som hver kun absorberede én farve.

Dette resulterede faktisk i en kommercielt tilgængelig billedsensor. Imidlertid, dette var ikke vellykket på markedet, fordi absorptionsspektrene for de forskellige lag ikke var tydelige nok, så en del af det grønne og røde lys blev absorberet af det blåfølsomme lag. Farverne blev derfor slørede og lysfølsomheden var dermed lavere end for almindelige lyssensorer. Ud over, produktionen af ​​de absorberende siliciumlag krævede en kompleks og dyr fremstillingsproces.

Det er nu lykkedes Empa-forskere at udvikle en sensorprototype, der omgår disse problemer. Den består af tre forskellige typer perovskiter - et halvledende materiale, der er blevet stadig vigtigere i løbet af de sidste par år, for eksempel i udviklingen af ​​nye solceller, på grund af dets enestående elektriske egenskaber og gode optiske absorptionskapacitet. Afhængigt af sammensætningen af ​​disse perovskitter, de kan, for eksempel, absorbere en del af lysspektret, men forbliv gennemsigtig i resten af ​​spektret. Forskerne i Maksym Kovalenkos gruppe ved Empa og ETH Zürich brugte dette princip til at skabe en farvesensor med en størrelse på kun én pixel. Forskerne var i stand til at gengive både simple endimensionelle og mere realistiske todimensionelle billeder med en ekstrem høj farvetroskab.

Nøjagtig genkendelse af farver

Fordelene ved denne nye tilgang er klare:Absorptionsspektrene er tydeligt differentierede, og farvegenkendelsen er således meget mere præcis end med silicium. Ud over, absorptionskoefficienter, især for lyskomponenter med højere bølgelængder (grøn og rød), er betydeligt højere i perovskitterne end i silicium. Som resultat, lagene kan gøres væsentligt mindre, hvilket igen tillader mindre pixelstørrelser. Dette er ikke afgørende i tilfælde af almindelige kamerasensorer; imidlertid, for andre analyseteknologier, såsom spektroskopi, dette kunne tillade væsentligt højere rumlig opløsning. Perovskitterne kan også fremstilles ved hjælp af en forholdsvis billig proces.

Imidlertid, Der er stadig brug for mere arbejde for at videreudvikle denne prototype til en kommercielt anvendelig billedsensor. Nøgleområder omfatter miniaturisering af pixels og udvikling af metoder til at producere en hel matrix af sådanne pixels i ét trin. Ifølge Kovalenko, dette burde være muligt med eksisterende teknologier.