Parempia kuvia ihmisille ja tietokoneille

Valtaosa kuvasensoreista on valmistettu piistä, jossa RGB-värien ilmaisuun tarvitaan pikselikohtaisia suodattimia.

Maksym Kovalenko ja hänen ETH Zürichin ja Empan tiimit ovat yhteistyössä Empan nanoskaalan rajapintojen kuljetuslaboratorion kanssa jo pitkään kehitelleet perovskiittipohjaista ratkaisua, jossa jokaista valon fotonia voi käyttää värien tunnistukseen.

Heidän innovatiivisen kuvasensorinsa perustana on lyijyhalidiperovskiitti. Sen fysikaaliset ominaisuudet vaihtelevat tarkan kemiallisen koostumuksen mukaan, Jos perovskiitti sisältää hieman enemmän jodi-ioneja, se absorboi punaista valoa. Vihreän valon saamiseksi tutkijat lisäävät enemmän bromia, sinisen valon saamiseksi enemmän klooria – ilman suodattimia.

Perovskiittiset pikselikerrokset pysyvät kuitenkin läpinäkyvinä muille aallonpituuksille, jolloin ne pääsevät läpi. Tämä tarkoittaa, että punaisen, vihreän ja sinisen pikselit voidaan pinota päällekkäin kuvasensorissa, toisin kuin piistä valmistetussa kuvasensoreissa, joissa pikselit on järjestetty vierekkäin.

Tämän järjestelyn ansiosta perovskiittipohjaiset kuvasensorit voivat teoriassa tallentaa kolme kertaa enemmän valoa kuin saman pinta-alan omaavat perinteiset kuvasensorit ja samalla tarjota kolme kertaa suuremman spatiaalisen resoluution.

Kuluttajien digitaalikamerat eivät kuitenkaan ole ainoa perovskiittisten kuvasensoreiden käyttökohde. Materiaalin ominaisuuksien ansiosta ne soveltuvat erityisesti konenäön käyttöön. Punaisen, vihreän ja sinisen painopisteen sanelee ihmissilmä: Nykyiset kuvasensorimme toimivat RGB-muodossa, koska silmämme näkevät RGB-tilassa.

Tiettyjä tehtäviä ratkaistaessa on kuitenkin suositeltavaa määrittää muita optimaalisia aallonpituusalueita, joita tietokoneen kuvasensorin tulisi lukea. Usein niitä on enemmän kuin kolme – niin sanottu hyperspektrikuvantaminen.

Perovskiitti-antureilla on ratkaiseva etu hyperspektrikuvantamisessa. Tutkijat voivat tarkasti hallita kunkin kerroksen absorboimaa aallonpituusaluetta. ”Perovskiitin avulla voimme määritellä suuremman määrän toisistaan selvästi erotettuja värikanavia”, Sergei Yakunin sanoo. Pii, jolla on laaja absorptiospektri, vaatii lukuisia suodattimia ja monimutkaisia tietokonealgoritmeja. ”Tämä on hyvin epäkäytännöllistä jopa suhteellisen pienellä värimäärällä”, Kovalenko tiivistää. Perovskiittiin perustuvia hyperspektrikuvasensoreita voitaisiin käyttää esimerkiksi lääketieteellisessä analyysissä tai maatalouden ja ympäristön automaattisessa seurannassa.

Seuraavassa vaiheessa tutkijat haluavat pienentää perovskiittikuvasensoreidensa kokoa entisestään ja lisätä pikseleiden määrää niissä.

”Perovskiitista pitäisi olla mahdollista valmistaa vielä pienempiä pikseleitä kuin piistä”, Yakunin sanoo.

Aiheesta aiemmin:

Parempia kameroita perovskiitilla

Parempia kuva-antureita konenäölle

Kuvankäsittelyä CMOS-anturiin