Selkeät värit jopa vinossa valossa

Älypuhelinten kamerat pienenevät, mutta valokuvat terävöityvät. Korealaiset tutkijat ovat nostaneet seuraavan sukupolven älypuhelinkameroiden rajoja kehittämällä uuden kuvakennoteknologian, joka pystyy toistamaan värit tarkasti riippumatta siitä, mistä kulmasta valo tulee sisään.

Tiimi saavutti tämän käyttämällä "metamateriaalia", joka suunnittelee valon liikkeen rakenteiden läpi, jotka ovat liian pieniä paljaalla silmällä havaittaviksi.

KAIST:n professori Min Seok Jangin johtama tutkimusryhmä on yhteistyössä professori Haejun Chungin tiimin kanssa Hanyangista kehittänyt metamateriaalipohjaisen teknologian kuvasensoreille, jotka pystyvät erottamaan värit vakaasti, vaikka valon tulokulma vaihtelisi.

Perinteiset älypuhelinkamerat kuvaavat keskittämällä valoa pieneen linssiin. Kameran pikselien pienentyessä kuitenkin linssien yksinään on vaikea kerätä riittävästi valoa. Tämän ratkaisemiseksi esiteltiin nanofotoninen värireititin. Sen sijaan, että valo keskitettäisiin linssin läpi, tämä teknologia käyttää silmälle näkymättömiä mikroskooppisia rakenteita erottamaan tulevan valon tarkasti värin mukaan.

Samsung Electronics on jo osoittanut tämän teknologian kaupallistamispotentiaalin soveltamalla sitä todellisiin kuvasensoreihin nimellä "Nano Prism". Teoriassa useiden erittäin hienojen nanorakenteiden kerrosten pinoaminen mahdollistaa paremman valonkeräyksen ja tarkemman värierottelun.

Olemassa olevilla nanofotonisilla värireitittimillä on kuitenkin rajoituksensa. Vaikka ne toimivat hyvin, kun valo saapui niihin suorassa kulmassa, niiden suorituskyky heikkeni merkittävästi – tai värit sekoittuivat – kun valo saapui niihin sivukulmassa, kuten on yleistä älypuhelinten kameroissa. Tätä ongelmaa, joka tunnetaan nimellä "vinon tulon ongelma", on pidetty kriittisenä haasteena, joka on ratkaistava todellisissa tuotesovelluksissa.

Tutkimusryhmä selvitti ensin tämän ongelman perimmäistä syytä ja

manuaalisen rakenteen suunnittelun sijaan tiimi käytti "käänteistä suunnittelua", jonka avulla tietokone voi itsenäisesti määrittää optimaalisen rakenteen. Tämän menetelmän avulla he johtivat värireitittimen suunnittelun, joka kykenee vakaaseen värierotteluun, vaikka tulevan valon kulma muuttuisi.

Tämän seurauksena, kun aiemmat rakenteet melkein pettivät, kun valoa kallistettiin noin 12 astetta, uudelleen suunniteltu rakenne säilytti noin 78 %:n optisen hyötysuhteen ±12 asteen alueella, mikä osoittaa vakaan värierottelukyvyn. Toisin sanoen teknologia saavuttaa tason, joka sopii käytännön älypuhelinten käyttöympäristöihin.

KAISTin professori Min Seok Jang totesi: ”Tämä tutkimus on merkittävä siinä mielessä, että se analysoi systemaattisesti vinouden esiintymisongelman, joka on haitannut värireititinteknologian kaupallistamista, ja ehdottaa selkeää ratkaisusuuntaa”, ja lisäsi: ”Ehdotettua suunnittelumenetelmää voidaan laajentaa värireitittimien ulkopuolelle laajaan valikoimaan metamateriaalipohjaisia nanofotonisia laitteita.”

Aiheesta aiemmin:

Metamateriaalien toimintoja tehostaen

Parempia kuvia ihmisille ja tietokoneille