Terävämpää ja kirkkaampaa hämäräkuvausta

Lähes jokainen digitaalisen valokuvauslaitteen kenno älypuhelimesta digitaalikameraan käyttää värisuodattimia erottaakseen tulevan valon punaiseksi, vihreäksi ja siniseksi ennen kuin se saavuttaa kennon.

Prosessissa kuitenkin menetetään huomattava määrä valoa. Tavanomaisin kokoonpano, Bayer-suodinmatriisi, päästää läpi vain noin kolmanneksen siihen osuvasta valosta.

Singaporen, Kiinan ja Japanin tutkijoista koostuva ryhmä on rakentanut värireitittimen, joka ratkaisee valohäviön ongelman. Sen sijaan, että rakenne suodattaisi värit pois ja "hylkäisi" valon, se ohjaa valon sinne, missä se siepataan.

Värireitittimien aiemmat versiot ovat perustuneet korkean taitekertoimen materiaaleihin mutta ne vaativat tarkkaa, monivaiheista valmistusta.

Tiimi siirtyi sen sijaan matalan taitekertoimen materiaaleihin: tavallisiin polymeereihin ja laseihin, jotka ovat halvempia, laajemmin saatavilla ja yhteensopivia yksinkertaisemman, skaalautuvan valmistuksen kanssa. Kompromissina on se, että nämä materiaalit vuorovaikuttavat valon kanssa paljon heikommin, minkä vuoksi niitä ei ole juurikaan tutkittu tähän tarkoitukseen.

”Kokemuksemme pohjalta 3D-tulostetusta polymeerioptiikasta halusimme selvittää, voisiko huolellisesti optimoitu geometria voittaa tämän rajoituksen”, sanoo tutkimuksen pääkirjoittaja ja SUTD:n tohtorikoulutettava Pan Cheng-Feng.

Tiimin vastaus oli geometria eikä kemia. Jokainen värireitittimen yksikkösolu sisältää neljä sylinterimäistä nanopilaria, jotka on tulostettu tarkkoihin korkeuksiin ja leveyksiin käyttämällä erityistä 3D-tulostustekniikkaa. Pilarit eivät toimi yksittäisinä värisuodattimina. Sen sijaan kaikkien neljän siroama valo interferoi yhdessä ohjaamalla punaisen, vihreän ja sinisen aallonpituudet kohti määrättyjä kohtia.

Oikean pilarikorkeuksien ja -säteiden yhdistelmän löytämiseksi tiimi käytti hiukkasparvioptimointia. Tämä algoritmi testaa ehdokasgeometrioita simulaation avulla ja tarkentaa niitä heikoimmin suoriutuvan värikanavan perusteella, jotta punainen, vihreä ja sininen voivat reitittyä tehokkaasti yhdessä sen sijaan, että optimoitaisiin vain yhdelle.

Tuloksena oleva suunnittelu saavutti lähes 90 prosenttisen simuloidun reititystehokkuuden näkyvän spektrin alueella, mikä on selvästi yli kaupallisille Bayer-suodattimille tyypillisen noin 20–35 prosentin. Fyysisissä laitteissa, jotka tulostettiin 250 000 yksikkösolun matriiseina yhden millimetrin neliölle, reitittimet saavuttivat noin 70 prosentin hyötysuhteen. Tiimi pitää vajetta valmistuksesta johtuvina poikkeamina ihanteellisesta suunnittelusta pikemminkin kuin perustavanlaatuisina rajoituksina.

Yksivärisensorilla tehdyt kuvaustestit vahvistivat käytännön hyödyn: värireitittimen kautta otetut kuvat osoittivat parempaa värien tarkkuutta kolmanneksen lyhyemmällä valotusajalla kuin tavallisella suodatinpohjaisella sensorilla otetut kuvat.

Aiheesta aiemmin: 

Parempia kuvia ihmisille ja tietokoneille

Parempia kameroita perovskiitilla

Luvassa parempia digikameroita