28/07/2022
Door Ad Spijkers
Amerikaanse onderzoekers werken aan een on-chip spectrometer waarbij silicium nanodraden lichtspectrum en hoek bepalen.
Beeldsensoren meten de lichtintensiteit, maar invalshoek, spectrum en andere aspecten van licht moeten ook worden geëxtraheerd om machine vision aanzienlijk te verbeteren. Onderzoekers van de University of Wisconsin-Madison, Washington University in St. Louis en OmniVision Technologies in Santa Clara (Californië) hebben de nieuwste nanogestructureerde componenten geïntegreerd in beeldsensorchips die grote impact kunnen hebben in multimodale in beeld brengen.
Door de ontwikkeling kunnen autonome voertuigen om hoeken kijken in plaats van alleen een rechte lijn. Ook biomedische beeldvorming om afwijkingen op verschillende weefseldiepten te detecteren en telescopen om door interstellair stof te kijken, behoren tot de mogelijkheden.
Volgens de onderzoekers zullen beeldsensoren geleidelijk een overgang ondergaan om de ideale kunstmatige ogen van machines te worden. Een evolutie die gebruikmaakt van de prestatie van bestaande beeldsensoren zal waarschijnlijk meer directe effecten genereren.
Beeldsensoren
Beeldsensoren, die licht omzetten in elektrische signalen, zijn samengesteld uit miljoenen pixels op een enkele chip. De uitdaging is hoe multifunctionele componenten als onderdeel van de sensor kunnen worden gecombineerd en geminiaturiseerd.
In hun werk hebben de onderzoekers een veelbelovende aanpak uitgewerkt om spectra met meerdere banden te detecteren door een spectrometer op de chip te fabriceren. Ze plaatsten fotonische kristalfilters van silicium direct op de pixels om complexe interacties tussen invallend licht en de sensor te creëren.
De pixels onder de films registreren de verdeling van lichtenergie, waaruit lichtspectrale informatie kan worden afgeleid. De component is minder dan een honderdste van een vierkante inch groot en is programmeerbaar. Hij kan voldoen aan verschillende dynamische bereiken, resolutieniveaus en bijna elk spectraal regime van zichtbaar tot infrarood.
Opbouw
De onderzoekers bouwden een component die hoekinformatie detecteert om diepte te meten en 3D-vormen te construeren op subcellulaire schalen. Hun werk is geïnspireerd op directionele gehoorsensoren die worden aangetroffen bij dieren zoals gekko's. De hoofden zijn te klein om op dezelfde manier als bij mensen en andere dieren te bepalen waar geluid vandaan komt. In plaats daarvan gebruiken ze gekoppelde trommelvliezen om de richting van het geluid te meten binnen een grootte die orden van grootte kleiner is dan de overeenkomstige akoestische golflengte.
Evenzo werden paren silicium nanodraden geconstrueerd als resonatoren om optische resonantie te ondersteunen. De optische energie wordt opgeslagen in twee resonatoren en is gevoelig voor de invalshoek. De draad die zich het dichtst bij het licht bevindt, stuurt de sterkste stroom. Door de sterkste en zwakste stromen van beide draden te vergelijken, kan de hoek van de inkomende lichtgolven worden bepaald.
Op een chip van 1 mm2 kunnen miljoenen van deze nanodraden worden geplaatst. Het onderzoek zou de vooruitgang op het gebied van lensloze camera's, augmented reality en robotvisie kunnen ondersteunen.
De illustratie toont de schema's van een conventionele sensor (links) en een nanogestructureerde multimodale sensor. De wetenschappelijke publicatie vindt u hier.
Ill.: Yurui Qu en Soongyu Yi