2D-Material ermöglicht möglicherweise ultrascharfe Handyfotos bei schwachem Licht

Eine neue Art von aktivem Pixelsensor, der ein neuartiges zweidimensionales Material verwendet, könnte laut einem Team von Forschern der Penn State sowohl ultrascharfe Handyfotos ermöglichen als auch eine neue Klasse extrem energieeffizienter Sensoren für das Internet der Dinge (IoT) schaffen.

„Wenn Leute nach einem neuen Telefon suchen, nach welchen Spezifikationen suchen sie?“ sagte Saptarshi Das, außerordentlicher Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik und Hauptautor der am 17. November veröffentlichten Studie Naturmaterialien. „Oft suchen sie nach einer guten Kamera, und was bedeutet eine gute Kamera für die meisten Menschen? Scharfe Fotos mit hoher Auflösung.“

Die meisten Leute machen einfach ein Foto von einem Freund, einem Familientreffen oder einem Sportereignis und denken nie darüber nach, was „hinter den Kulissen“ im Telefon passiert, wenn man ein Bild macht. Laut Das passiert einiges, damit Sie ein Foto direkt nach der Aufnahme sehen können, und dazu gehört die Bildbearbeitung.

„Wenn Sie ein Bild aufnehmen, haben viele der Kameras eine Art Verarbeitung, die im Telefon vor sich geht, und tatsächlich sieht das Foto dadurch manchmal sogar noch besser aus als das, was Sie mit Ihren Augen sehen“, sagte Das. „Diese Telefonkameras der nächsten Generation integrieren die Bilderfassung mit der Bildverarbeitung, um dies zu ermöglichen, und das war mit älteren Kameragenerationen nicht möglich.“

Die tollen Fotos in den neuesten Kameras haben jedoch einen Haken – die Verarbeitung erfordert viel Energie.

„Das Aufnehmen vieler Bilder ist mit Energiekosten verbunden“, sagte Akhil Dodda, zum Zeitpunkt der Studie wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Penn State University, jetzt Forschungsmitarbeiter bei Western Digital und Mitautor der Studie .

„Wenn Sie 10.000 Bilder machen, ist das in Ordnung, aber jemand zahlt die Energiekosten dafür. Wenn Sie es um das Hundertfache reduzieren können, können Sie 100-mal mehr Bilder machen und immer noch die gleiche Menge Energie verbrauchen. Es macht nachhaltiger zu fotografieren, damit die Menschen auf Reisen mehr Selfies und andere Bilder machen können. Und genau hier kommen Materialinnovationen ins Spiel.“

Die in der Studie skizzierte Materialinnovation dreht sich darum, wie sie aktive Pixelsensoren mit sensorinterner Verarbeitung versehen haben, um ihren Energieverbrauch zu senken. Also wandten sie sich einem neuartigen 2D-Material zu, bei dem es sich um eine Klasse von Materialien handelt, die nur ein oder wenige Atome dick sind, nämlich Molybdändisulfid. Es ist auch ein Halbleiter und lichtempfindlich, was es zu einem idealen Material für die Erforschung der energiearmen In-Sensor-Verarbeitung von Bildern macht.

„Wir haben festgestellt, dass Molybdändisulfid eine sehr gute Lichtempfindlichkeit aufweist“, sagte Darsith Jayachandran, wissenschaftlicher Mitarbeiter mit Abschluss in Ingenieurwesen und Mechanik und Mitautor der Studie. „Von da an haben wir es auf die anderen Eigenschaften getestet, nach denen wir gesucht haben.“

Zu diesen Eigenschaften gehörte die Schwachlichtempfindlichkeit, die für den Dynamikbereich des Sensors wichtig ist. Der Dynamikbereich bezieht sich auf die Fähigkeit, Objekte sowohl bei schwachem Licht wie Mondlicht als auch bei hellem Licht wie Sonnenlicht zu „sehen“. Das menschliche Auge kann nachts Sterne besser sehen als die meisten Kameras, da es einen überlegenen Dynamikbereich hat.

Molybdändisulfid zeigte auch starke Signalumwandlungs-, Ladungs-Spannungs-Umwandlungs- und Datenübertragungsfähigkeiten. Dies macht das Material zu einem idealen Kandidaten, um einen aktiven Pixelsensor zu ermöglichen, der sowohl Lichterfassung als auch Bildverarbeitung im Sensor durchführen kann.

„Von dort aus haben wir die Sensoren in einem Array angeordnet“, sagte Jayachandran. „Es gibt 900 Pixel in einem von uns entwickelten 9-Quadratmillimeter-Array, und jedes Pixel ist etwa 100 Mikrometer groß. Sie sind viel lichtempfindlicher als aktuelle CMOS-Sensoren, sodass sie keine zusätzlichen Schaltkreise oder Energieverbrauch erfordern. Also jedes Pixel benötigt viel weniger Energie für den Betrieb, und das würde eine bessere Handykamera bedeuten, die viel weniger Batterie verbraucht.“

Der Dynamikbereich und die Bildverarbeitung würden es Benutzern ermöglichen, scharfe Fotos unter einer Vielzahl von widrigen Bedingungen für die Fotografie aufzunehmen, so Das.

„Zum Beispiel könnten Sie nachts oder an einem regnerischen oder nebligen Tag klarere Fotos von Freunden draußen machen“, sagte Das. „Die Kamera könnte Entrauschen, um den Nebel zu beseitigen, und der Dynamikbereich würde beispielsweise ein Nachtfoto eines Freundes mit Sternen im Hintergrund ermöglichen.“

Das merkte an, dass die drei Haupteinrichtungen des Materialforschungsinstituts maßgeblich an der Erstellung und Erprobung des Materials beteiligt waren.

„Die 2D-Materialien, die wir für die Experimente verwendet haben, wurden in der Einrichtung des Two-Dimensional Crystal Consortium in Penn State gezüchtet, einer Einrichtung der National Science Foundation Materials Innovation Platform (MIP), die Charakterisierung des Materials erfolgte im Materials Characterization Laboratory und wir haben auch die Reinräume im Nanofabrication Laboratory genutzt“, sagte Das. „Der einfache Zugang zu diesen Einrichtungen direkt auf dem Campus spielte eine wichtige Rolle für den Erfolg dieser Forschung.“

Neben der Ermöglichung einer erstklassigen Telefonkamera in der Zukunft stellt sich das Team auch vor, dass seine verbesserte Sensortechnologie andere Anwendungen haben könnte. Dazu gehören bessere Lichtsensoren für das Internet der Dinge und Industrie 4.0-Anwendungen. Industrie 4.0 ist der Begriff für eine wachsende Bewegung, die traditionelle Industriepraktiken und modernste digitale Technologien wie das Internet der Dinge, Cloud-Datenspeicherung und künstliche Intelligenz/maschinelles Lernen kombiniert. Ziel ist es, die Fertigung durch die Entwicklung effizienterer Prozesse und Praktiken durch intelligente Automatisierung zu verbessern, und Sensoren sind der Schlüssel.

„Sensoren, die Maschinen während des Betriebs durchschauen und Defekte identifizieren können, sind im IoT sehr wichtig“, sagte Dodda. „Herkömmliche Sensoren verbrauchen viel Energie, das ist ein Problem, aber wir haben einen extrem energieeffizienten Sensor entwickelt, der besseres maschinelles Lernen usw. ermöglicht und viel Energiekosten spart.“