Rödkänslig, blåkänsliga och grönkänsliga färgsensorer staplade ovanpå varandra istället för att ställas upp i ett mosaikmönster-denna princip kan tillåta bildsensorer med en aldrig tidigare skådad upplösning och ljuskänslighet. Dock, än så länge, verkligheten har inte riktigt uppfyllt förväntningarna. Forskare från Empa och ETH Zürich har nu utvecklat en sensorprototyp som absorberar ljus nästan optimalt - och dessutom är billigt att producera.

Det mänskliga ögat har tre olika typer av sensoriska celler för uppfattningen av färg:celler som är respektive känsliga för rött, grönt och blått växlar i ögat och kombinerar sin information för att skapa en övergripande färgad bild. Bildsensorer, till exempel i mobiltelefonkameror, arbeta på ett liknande sätt:blått, gröna och röda sensorer växlar i ett mosaikliknande mönster. Intelligenta programvarealgoritmer beräknar en högupplöst färgbild från de enskilda färgpixlarna.

Dock, principen har också vissa inneboende begränsningar:eftersom varje enskild pixel bara kan absorbera en liten del av det ljusspektrum som träffar den, en stor del av ljuset går förlorad. Dessutom, sensorerna har i princip nått gränserna för miniatyrisering, oönskade bildstörningar kan uppstå; dessa är kända som färgmoiréeffekter och måste mödosamt tas bort från den färdiga bilden.

Transparent endast för vissa färger

Forskare har därför arbetat i ett antal år med tanken på att stapla de tre sensorerna istället för att placera dem bredvid varandra. Självklart, detta kräver att sensorerna ovanpå släpper igenom de ljusfrekvenser som de inte absorberar till sensorerna under. I slutet av 1990 -talet denna typ av sensor producerades framgångsrikt för första gången. Den bestod av tre staplade kiselskikt, var och en absorberade bara en färg.

Detta resulterade faktiskt i en kommersiellt tillgänglig bildsensor. Dock, detta var inte framgångsrikt på marknaden eftersom absorptionsspektra för de olika skikten inte var tillräckligt tydliga, så en del av det gröna och röda ljuset absorberades av det blåkänsliga lagret. Färgerna suddades därför och ljuskänsligheten var därmed lägre än för vanliga ljussensorer. Dessutom, produktionen av de absorberande kiselskikten krävde en komplex och dyr tillverkningsprocess.

Empa -forskare har nu lyckats utveckla en sensorprototyp som kringgår dessa problem. Den består av tre olika typer av perovskiter - ett halvledande material som har blivit allt viktigare under de senaste åren, till exempel i utvecklingen av nya solceller, på grund av dess enastående elektriska egenskaper och god optisk absorptionskapacitet. Beroende på sammansättningen av dessa perovskiter, Dom kan, till exempel, absorbera en del av ljusspektrumet, men förbli transparenta för resten av spektrumet. Forskarna i Maksym Kovalenkos grupp vid Empa och ETH Zürich använde denna princip för att skapa en färgsensor med en storlek på bara en pixel. Forskarna kunde återge både enkla endimensionella och mer realistiska tvådimensionella bilder med en extremt hög färgtrohet.

Noggrann igenkänning av färger

Fördelarna med detta nya tillvägagångssätt är tydliga:absorptionsspektra är tydligt differentierade och färgigenkänningen är därmed mycket mer exakt än med kisel. Dessutom, absorptionskoefficienter, särskilt för ljuskomponenterna med högre våglängder (grönt och rött), är betydligt högre i perovskiterna än i kisel. Som ett resultat, lagren kan göras betydligt mindre, vilket i sin tur tillåter mindre pixelstorlekar. Detta är inte avgörande för vanliga kamerasensorer; dock, för annan analysteknik, såsom spektroskopi, detta skulle möjliggöra betydligt högre rumslig upplösning. Perovskiterna kan också produceras med en jämförelsevis billig process.

Dock, mer arbete behövs fortfarande för att vidareutveckla denna prototyp till en kommersiellt användbar bildsensor. Viktiga områden inkluderar miniatyrisering av pixlar och utveckling av metoder för att producera en hel matris av sådana pixlar i ett steg. Enligt Kovalenko, detta bör vara möjligt med befintlig teknik.