Koniec ziarnistych zdjęć nocą? Naukowcy wydrukowali element, który kieruje światło na matrycę

Ziarniste zdjęcia nocne mogą w przyszłości stać się mniej dokuczliwe dzięki elementowi, który nie filtruje światła, lecz kieruje je na właściwe części matrycy. Zespół z Singapore University of Technology and Design oraz współpracujących uczelni pokazał działający prototyp takiego rozwiązania.

Wyniki opisane w Nature Communications dotyczą tak zwanych routerów koloru. To mikroskopijne, zaprojektowane komputerowo struktury drukowane z żywicy metodą polimeryzacji dwufotonowej. Ich zadaniem jest rozdzielanie składowych czerwonej, zielonej i niebieskiej oraz kierowanie ich do odpowiadających im fotodiod.

Dlaczego zwykły filtr zabiera światło?

W typowych matrycach CMOS kolory odczytuje filtr Bayera. Jego układ czerwonych, zielonych i niebieskich filtrów przepuszcza do pojedynczego piksela tylko wybraną część widma, a resztę pochłania. Według autorów pracy taki układ wykorzystuje około 30 proc. padającego białego światła. W ciemnej scenie oznacza to mniej sygnału, więcej szumu i często dłuższy czas ekspozycji.

Router koloru próbuje rozwiązać ten problem optycznie. Zamiast blokować niepotrzebne długości fal, przekierowuje je w pobliże odpowiednich obszarów sensora. W najnowszym eksperymencie badacze wykorzystali niskorefrakcyjną żywicę IP-L o współczynniku załamania około 1,5. Ograniczoną zdolność takiego materiału do zaginania światła skompensowali geometrią mikroskopijnych struktur.

Wynik jest obiecujący, ale to jeszcze nie aparat w telefonie

W pomiarach na rzeczywistym wydruku routery przekazały do docelowych obszarów około 70 proc. światła w zakresie widzialnym. Symulacje dawały około 87 proc. Badacze pokazali też obrazowanie z lepszą wiernością kolorów i krótszym czasem ekspozycji. W demonstracji podobną jasność uzyskano przy około 4 milisekundach zamiast 10, co może ograniczyć poruszenie obiektu lub ręki podczas fotografowania po zmroku.

Najważniejsze ograniczenie jest jednak konkretne: doświadczenie wykonano z monochromatycznym sensorem, a nie z kompletnym modułem aparatu w smartfonie. Pozostaje też przesłuch między kanałami kolorów. Zanim router trafi do masowej produkcji, trzeba zintegrować go z rzeczywistą matrycą i sprawdzić działanie w całym łańcuchu aparatu, z obiektywem, elektroniką oraz przetwarzaniem obrazu.

To dlatego nie jest jeszcze powód, by odkładać zakup telefonu z lepszym trybem nocnym. Jest natomiast ciekawym przykładem zmiany podejścia: zamiast zwiększać czułość i ratować niedoświetlone ujęcie algorytmami, można próbować dostarczyć więcej użytecznego światła już na wejściu matrycy.

Ilustracja artykułu została wygenerowana przez AI i przedstawia koncepcyjną wizualizację stanowiska badawczego. Nie jest fotografią opisywanego prototypu.

Źródła

• Nature Communications: 3D printed designer color routers with low refractive index for low-light imaging