Yeni kamera sensörü telefon kameralarını küçültebilir

Nagoya Üniversitesi araştırmacıları, dijital kamera sensörlerinin çalışma biçimini değiştirebilecek yeni bir şeffaf optik sensör geliştirdi. ACS Nano dergisinde yayımlanan çalışmada, galyum katkılı çinko oksit (GZO) nanosheet yapılarının tek bir piksel içerisinde kırmızı, yeşil ve mavi ışığı algılayabildiği gösteriliyor. Bu yaklaşım, uzun yıllardır dijital fotoğraf makineleri ve akıllı telefon kameralarında kullanılan Bayer renk filtresi düzenine alternatif oluşturabilecek bir çözüm sunuyor. Araştırma henüz laboratuvar aşamasında olsa da, daha ince kamera modülleri ve daha yüksek görüntü kalitesi sağlayabilecek yeni nesil görüntü sensörlerinin önünü açabilecek nitelikte görülüyor.

Günümüzde kullanılan CMOS görüntü sensörlerinde her piksel yalnızca tek bir renk bileşenini, yani kırmızı, yeşil veya maviyi kaydedebiliyor. Tam renkli görüntü ise komşu piksellerden elde edilen verilerin yazılım tarafından bir araya getirilmesiyle oluşturuluyor. Bu yöntem yıllardır yaygın biçimde kullanılıyor olsa da, görüntü ayrıntılarının bir bölümünün kaybedilmesine neden oluyor ve milyonlarca renk filtresinin sensör üzerine yerleştirilmesini gerektiriyor. Bunun yanında kamera modülünün tasarımını da daha karmaşık hâle getiriyor.

Galyum katkılı çinko oksit katmanları tek pikselde RGB algılayabiliyor

Nagoya Üniversitesi ekibinin geliştirdiği çözüm ise farklı bir çalışma prensibine dayanıyor. Şeffaf GZO nanosheet katmanları üst üste yerleştirilebiliyor ve her katman görünür ışığın farklı dalga boylarına tepki veriyor. Böylece tek bir piksel doğrudan kırmızı, yeşil ve mavi ışık bilgisini ayrı ayrı algılayabiliyor. Araştırmacılara göre bu yapı, aynı görüntü çözünürlüğünü korurken ihtiyaç duyulan piksel sayısını teorik olarak yüzde 75’e kadar azaltma potansiyeli taşıyor. Daha az piksel kullanılması ise daha küçük sensör tasarımlarının geliştirilmesine katkı sağlayabilir.

Çalışmaya liderlik eden Profesör Minoru Osada ve ekibi, ilk aşamada çinko oksit nanosheet malzemesinin görünür ışığa karşı yeterince güçlü tepki vermemesi nedeniyle bazı teknik zorluklarla karşılaştı. Araştırmacılar, malzemeye galyum ekleyerek görünür ışığın elektrik sinyaline dönüştürülmesini sağlayan elektronik tuzak durumları oluşturdu. Bu değişiklik yapılırken malzemenin yüksek şeffaflık özelliğinin korunmuş olması da çalışmanın dikkat çeken yönlerinden biri olarak öne çıkıyor.

İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR

Araştırmada geliştirilen sensör, emdiği ışığın yalnızca yüzde 0,005’ini fotakıma dönüştürmesine rağmen görünür ışığın yüzde 99,995’ini alt katmanlara iletebiliyor. Buna rağmen laboratuvar testlerinde watt başına 800 amper (A/W) seviyesinde duyarlılık elde edildiği belirtiliyor. Bu değer, ticari görüntü sensörlerinde yaygın olarak görülen yaklaşık 10 A/W seviyesinin yaklaşık 80 kat üzerinde bulunuyor. Araştırmacılar ayrıca prototip sensörün ürettiği tam renkli görüntülerde hata oranının geleneksel kamera sensörlerine göre yarı yarıya azaldığını ifade ediyor.

Bunun yanında üretim süreci de mevcut yarı iletken üretim yöntemlerine göre daha sade bir yapı sunuyor. Şeffaf nanosheet sensörlerin oda sıcaklığında gerçekleştirilen çözelti tabanlı bir üretim yöntemiyle hazırlanabildiği belirtiliyor. Böylece geleneksel görüntü sensörlerinin üretiminde kullanılan bazı karmaşık yarı iletken işleme adımlarına ihtiyaç duyulmuyor. Bu durumun seri üretim aşamasında maliyetleri düşürme potansiyeli taşıdığı değerlendiriliyor.

Araştırma yalnızca akıllı telefon kameralarını hedeflemiyor. Test sonuçlarına göre sensörler 400 dereceye kadar sıcaklıklarda kararlı çalışmayı sürdürüyor. Bunun yanında vakum ortamında ve yüksek nem koşullarında da güvenilir performans sergiliyor. Bu özellikler sayesinde teknolojinin tıbbi endoskoplar, otonom araç sistemleri, endüstriyel görüntüleme çözümleri ve uzay ekipmanları gibi dayanıklılığın ön planda olduğu alanlarda da değerlendirilebileceği ifade ediliyor.

Profesör Osada, geliştirilen sensörün çalışma mantığını insan gözüyle karşılaştırıyor. Buna göre yapı, retinanın renk bilgilerini ayrı ayrı algılamasına benzer şekilde farklı dalga boylarını katmanlar üzerinden ayırıyor ve daha sonra bu bilgiler tek bir renkli görüntü oluşturacak biçimde bir araya getiriliyor. Böylece geleneksel Bayer filtresi kullanan sensörlerde ihtiyaç duyulan renk enterpolasyonu süreci büyük ölçüde ortadan kaldırılabiliyor.

Teknolojinin ticari ürünlerde kullanılabilmesi için hâlâ aşılması gereken çeşitli teknik engeller bulunuyor. Araştırmacılar bundan sonraki aşamada laboratuvar ortamında geliştirilen prototipin seri üretime uygun hâle getirilmesine odaklanacak. Bunun yanında maliyet, uzun süreli güvenilirlik ve yüksek hacimli üretim gibi konuların da çözüme kavuşturulması gerekiyor. Tüm bu çalışmalar olumlu sonuç verirse, gelecekte daha ince kamera modüllerine sahip akıllı telefonlar ve daha kompakt optik sistemler geliştirilmesi mümkün olabilir.