De kwaliteit van een camera wordt meestal beperkt door de grootte en het vermogen om veel licht binnen te laten. Bij kleinere camera’s kunnen lenzen de beeldkwaliteit tot op zekere hoogte helpen verbeteren, maar nieuwe benaderingen proberen in plaats daarvan camera’s te verbeteren door de sensoren aan te passen die lichtstralen omzetten in elektrische signalen.
Drie technologieën die op de IEEE International Electron Device Meeting (IEDM) 2023 worden gepresenteerd, beloven de prestaties van CMOS-beeldsensoren te verbeteren door structuren rechtstreeks in de sensoren te integreren om licht volgens zijn golflengte naar verschillende kleurpixels te sturen. Hierdoor wordt de hoeveelheid licht die elke pixel ontvangt vergroot, terwijl de pixelgrootte klein blijft.
“Wat je voorheen alleen bereikte met complexe systeemintegratie, wordt nu bereikt met processen op waferniveau”, zegt sessievoorzitter Andreas Mai, hoogleraar aan de Technische Hogeschool Wildau in Wildau, Duitsland. Bij smartphones kan dit soort integratie bijvoorbeeld de hoogte van de cameralens helpen verminderen.
Op IEDM rapporteerden onderzoekers van Imec, VisEra en Samsung de uitvinding van drie technologieën om miniatuurbeeldsensoren te verbeteren. Twee daarvan maken gebruik van metasoppervlakken op nanoschaal, namelijk prisma’s en pilaren, om de CMOS-gevoeligheid te verbeteren. De derde duwt het licht door een kleurensplitter om het in verschillende kleurpixels te sorteren. “Meestal kun je dit alleen bereiken door extra componenten of lenzen aan de beeldsensoren toe te voegen”, zegt Mai.
De kleurverdelers zijn aangepast aan het menselijk oog
Door gebruik te maken van kleursplitters kan de beeldsensor zijn algehele gevoeligheid vergroten door het licht dat overeenkomt met elke sensor er rechtstreeks op te richten.
imec
Onderzoekers van Imec, gevestigd in Leuven, België, hebben technologie voor het delen van kleuren gepresenteerd. In plaats van kleurenfilters te gebruiken, die een deel van het binnenkomende licht absorberen, sorteert een kleurensplitter licht van verschillende kleuren op basis van specifieke pixels. Normaal gesproken werken kleursplitters via diffractie, maar het ontwerp van Imec hanteert een andere aanpak, waardoor een betere signaal-ruisverhouding en resolutie mogelijk is.
De kleurensplitter neemt eerst licht in het brandpuntsvlak en focust het licht door het door trechtervormige kegels te laten gaan, legt wetenschappelijk directeur Jan Genoe van Imec uit, die het onderzoek presenteerde op IEDM. Het licht gaat vervolgens door een verticale golfgeleider, die de manier waarop het licht zich voortplant, beperkt en golflengte-afhankelijke patronen creëert; zodat verschillende golflengten van licht op verschillende pixels op de detector vallen.
Het apparaat is ontworpen voor gebruik in kleine recorders, zoals smartphonecamera’s, en wordt via golfgeleiderafmetingen afgestemd op de kleurgevoeligheid van het menselijk oog. “We willen een camera hebben die de beste kleurweergave voor het menselijk oog geeft”, zegt Genoe. Het afgebeelde apparaat toont een match van 95 procent – zelfs beter dan veel high-end camera’s.
Nanolichtzuilen brengen beelden bij weinig licht scherp in beeld
“Nano-pilaren” zijn een vorm van licht-kanaliserend metasurface dat, een beetje zoals de kleurensplitser van Imec, ook specifieke golflengten van licht naar de detectorpixels stuurt die het meest geschikt zijn om licht te ontvangen.
VisEra-technologieën
Voor een andere benadering om licht naar specifieke kleurpixels te sturen, heeft VisEra Technologies – een dochteronderneming van TSMC in Hsinchu, Taiwan – een sensor geïntroduceerd met structuren die nanolichtzuilen worden genoemd. Net als de kleurensplitser van imec leiden de structuren, metasurfaces genoemd, licht van verschillende golflengten om, waardoor het gebied dat elke lichtkleur ontvangt effectief wordt vergroot. Dit is vooral handig bij weinig licht, zegt Chun-Yuan (Robert) Wang, Sector Manager Optical and Metrology Development bij VisEra Tech.
Onderzoekers stellen nanolichtzuilen voor als vervanging voor conventionele microlenzen. Met een microlens is het lichtontvangstgebied beperkt tot de fysieke dimensie van de pixel, en er gaat altijd wat licht verloren in het pixelkleurenfilter. Twee lagen zorgvuldig uit elkaar geplaatste pilaren die in het VisEra-apparaat zijn ingebouwd, kunnen door breking licht opvangen van aangrenzende pixels: groen licht dat op een groene pixel afkomt, gaat bijvoorbeeld recht door de pilaar. Ondertussen zijn aangrenzende pilaren ontworpen met verschillende dichtheden om het groene licht te breken en naar de groene pixel te sturen.
Hoewel er andere methoden zijn om beelden bij weinig licht te verbeteren, hebben deze ook nadelen, zegt Wang. Met het metasurface-apparaat “zou je geen toevlucht hoeven nemen tot het gebruik van high [sensitivity] instellingen, die ruis introduceren, of lange sluitertijden, die beeldonscherpte veroorzaken, om het gebrek aan licht te compenseren”, zegt Wang. Waar het VisEra-apparaat faalt, is de reactie op licht dat onder een hoek binnenkomt als gevolg van discontinuïteiten in het metasurface. Wang zegt dat hij en zijn collega’s nu oplossingen onderzoeken.
Nanoprisma’s zien er goed uit onder een hoek
Het nieuwe nanoprismabeeld van Samsung is gevoelig voor lichtbronnen onder schuine hoeken vergeleken met sommige conventionele pixeltechnologieën van vandaag.
Samsung
Net als nano-lichtzuilstructuren sturen nanoprisma’s (een andere metasurface-structuur) ook verschillende kleuren licht naar verschillende pixels. De nanoprisma’s van Samsung maken gebruik van diffractie, en niet van breking, om de hoek van binnenkomend licht te buigen. Hoewel de gevoeligheid voor licht onder schuine hoeken een beperking is van de VisEra-zuilen, zijn de nanoprisma’s van Samsung bovendien specifiek ontworpen met dit soort licht in gedachten. Vergeleken met conventionele microlenzen bieden ze een breed gezichtsveld en een betere gevoeligheid.
Door het ontwerppatroon van het nanoprisma te veranderen, kunnen de onderzoekers ook de spectrale respons afstemmen, een maatstaf voor de uitgangsstroom van de detector in vergelijking met het invallende vermogen. Meestal hangt dit af van het kleurfiltermateriaal, maar nanoprisma’s kunnen de spectrale respons aanpassen zonder het kleurfiltermateriaal te hoeven vervangen.