Om du någonsin har försökt ta en bild i en mörk restaurang, du vet att det är svårt att få en klar, kvalitetsbild. I framtiden, kameror kanske inte kämpar under dessa förhållanden tack vare en nyutvecklad metod för att sfäriskt böja platta bildsensorer som finns i dagens digitalkameror.

"Vårt tillvägagångssätt för att böja kommersiellt tillgängliga bildsensorer kan göra det möjligt att ha en ny klass av kamera som skulle vara mycket liten, men har bildkvalitet som skulle vara jämförbar med bildsensorer som finns i mycket större kameror, "sa Brian Guenter, ledare för Microsoft Research -teamet. "Förutom att förbättra konsumentkameror, böjda sensorer kan användas för att skapa bättre kameror för övervakning, huvudmonterade skärmar och framsteg inom autonom fordonsnavigering.

De flesta av dagens kameror använder linser gjorda av flera optiska element som korrigerar för olika optiska fel, eller avvikelser, och som också manipulerar bilden så att den kan detekteras av en platt sensor. Med en böjd, snarare än platt, bildsensor betyder att de optiska elementen måste göra mindre arbete för att korrigera och platta bilden, gör det möjligt att använda färre optiska element. Detta översätts inte bara till mindre, snabbare och billigare linser men gör det också lättare att förbättra andra egenskaper hos de optiska komponenterna.

"När du använder böjda sensorer, det är möjligt att korrigera avvikelser på ett mycket mer effektivt sätt, gör det lättare att skapa mycket vidvinkelobjektiv som ger skarpa bilder över hela synfältet eller att skapa snabba objektiv som ger bättre bilder i svagt ljus, "sa Neel Joshi, medlem i forskargruppen. "Det är också enklare att göra kameror som uppvisar enhetlig belysning över hela bilden."

I tidskriften The Optical Society Optik Express , forskare från Microsoft Research and research-and-development laboratorium HRL Laboratories LLC, rapporterar att deras nya metod kan skapa bildsensorer med tre gånger mer sfärisk krökning än tidigare rapporterat. De har kunnat införliva en av sensorerna i en prototypkamera. Jämfört med dagens avancerade kommersiella spegelreflexkameror (SLR), kameran med den nya sensorn producerade bilder med högre upplösning över hela synfältet.

"Även om fördelarna med att använda böjda sensorer har varit kända under en tid, vårt arbete gör det nu praktiskt att skapa kameror med böjda sensorer, "sade Richard Stoakley, medlem i forskargruppen. "Att lägga till sfärisk krökning till en bildsensor på hyllan kan göras för en rimlig kostnad och på ett sätt som visar betydande fördelar."

Skapar den perfekta kameran

Det nya tillvägagångssättet för att skapa böjda sensorer växte fram ur en fråga som forskarna ställde sig för ungefär sju år sedan:"Hur skulle en idealisk kamera vara?" De bestämde sig för att en sådan kamera skulle ta bilder under mycket svagt ljus, vara väldigt liten, och ger extremt skarpa bilder.

"Just då, det gick inte att göra en sådan kamera, "sa Guenter." Vi tänkte att om vi kunde förbättra en kameras optik genom att skapa ett snabbare objektiv, vi kan eventuellt använda en mindre sensor medan vi fortfarande samlar in tillräckligt med ljus för att få en bra bild. Det motiverade oss att börja undersöka böjda sensorer som ett sätt att potentiellt uppnå genombrottsprestanda. "

För att göra böjda sensorer, forskarna placerade individuella sensorer skurna från en tunn tunn CMOS-bildsensorplatta i skräddarsydda formar och använde sedan pneumatiskt tryck för att trycka ner varje sensor i formen. Andra försök att böja en sensor har vanligtvis inneburit att limma kanterna och försöka trycka på mitten av sensorn. Dock, detta skapar punkter med hög spänning som får sensorn att krossas innan den når målkrökningsnivån.

Forskarna lockade betydligt mer krökning ur sensorerna genom att låta dem flyta fritt under böjningsprocessen, vilket gjorde att spänningar försvann gradvis. De använde också en specialformad form som mycket långsamt bygger spänning runt chipets kanter när den pressas in i formen. Microsoft kontrakterade HRL -laboratorier, som har kapacitet och utrustning för halvledartillverkning, för att hjälpa till att lösa några av de specifika fysikutmaningar som är involverade i att böja sensorerna.

"Detta arbete innebar omfattande mängder av experiment, "sa Joshi." Varje enskild yta måste behandlas noggrant för att uppvisa de exakta egenskaperna som krävs för att sensorn ska få rätt mängd stress utan att gå sönder. "

Tester visade att kurvning av sensorerna inte förändrade någon av deras elektriska eller avbildande egenskaper. När den används i en prototypkamera med ett specialdesignat f/1.2 -objektiv, en böjd sensor uppvisade en upplösning som är mer än dubbelt så hög som en avancerad SLR-kamera med ett liknande objektiv. Mot bildens kanter, den krökta sensorn var ungefär fem gånger skarpare än SLR -kameran.

Även om de flesta kameror uppvisar minskad ljusdetektering runt bildsensorns hörn, forskarna visade att de böjda sensorerna nästan inte tappade ljus. Detta var en betydande förbättring jämfört med minskningen med cirka 90 procent mätt för den kommersiella SLR -kameran.

"Vi visade att du kan ta en sensor från hyllan, kurva det och dramatiskt förbättra prestandan för det optiska systemet, "sa Guenter." Detta kan göras med relativt låga kostnader och faktiskt ingen nackdel. "

Böjda sensorer för mobiltelefoner

Även om prototypkamera som rapporteras i tidningen är ungefär lika stor som en liten konsumentkamera, forskarna säger att linserna kan göras tillräckligt små för mobiltelefoner och surfplattor. Det bör också vara möjligt att bygga maskiner som kan massproducera dessa krökta sensorer, tillåta att ytterligare bearbetning införlivas i befintlig sensortillverkning på ett sätt som skulle amortera väl i volymproduktion.

Forskarna arbetar nu med att se om ytterligare förbättringar kan ge sensorer med ännu mer krökning. De vill också experimentera med böjda sensorer som fungerar i infraröda våglängder, vilket kan vara användbart för teleskop, 3D rumslig kartläggning, biometrisk autentisering och olika vetenskapliga tillämpningar. Även om de varnar för att det är osannolikt att kommersiella produkter med de böjda sensorerna snart kommer att finnas tillgängliga, de är intresserade av att samarbeta med andra företag för att ytterligare förbättra sensorerna och utföra den omfattande robusthetstester som skulle behövas för att förbereda sig för massproduktion.

"Jag tror att vi har öppnat dörren för en helt ny klass av linser, "sa Stoakley." Jag är spänd på att se hur vår grupp och andra använder böjda sensorer för att uppnå ännu fler förbättringar av kamerakvaliteten genom innovativ linsdesign. "