Японцы придумали сенсор без «лишних» пикселей: камеры смартфонов могут стать в 3-4 раза меньше

Меньше пикселей при прежнем качестве

Исследователи из Университета Нагои (Япония) разработали новый тип прозрачных фотосенсоров на основе оксида цинка с добавлением галлия (GZO). Новая технология позволяет одному пикселю одновременно воспринимать красный, зеленый и синий цвета, что потенциально позволит значительно уменьшить размеры датчиков изображений без потери качества изображения.

Изображение сгенерировано QwenНа данный момент большинство цифровых камер используют массив Байера: каждый пиксель сенсора фиксирует только один цвет — красный, зеленый или синий. Затем специальное программное обеспечение восстанавливает полноценное изображение, анализируя данные от соседних пикселей. Такой подход требует большого количества элементов на матрице и ограничивает возможности миниатюризации камер.

Японские ученые предложили другой принцип работы. Их нанолисты из GZO способны регистрировать сразу весь видимый спектр, а несколько прозрачных слоев, расположенных друг над другом, позволяют разделять цветовые компоненты без необходимости использовать традиционный цветовой фильтр.

По расчетам исследователей, если каждый пиксель сможет самостоятельно определять все три основных цвета, количество элементов на сенсоре можно будет сократить примерно на 75% при сохранении прежнего разрешения. Это открывает путь к созданию более компактных камер для смартфонов, медицинских эндоскопов, носимой электроники и других устройств с ограниченным пространством.

Одним из ключевых преимуществ нового материала стала его почти полная прозрачность. Каждый слой нанолистов пропускает около 99,995% видимого света, поэтому несколько фоточувствительных элементов можно размещать один над другим, не создавая существенных потерь изображения.

Однако обычный оксид цинка практически не реагирует на видимый свет, что делает его малоэффективным для фотосенсоров. Чтобы изменить это свойство, ученые добавили в материал галлий. Легирование изменило электронную структуру оксида цинка и создало дополнительные энергетические состояния, благодаря которым материал смог эффективнее преобразовывать свет в электрический сигнал.

Несмотря на то, что в электричество превращается лишь около 0,005% поглощенной энергии света, экспериментальный сенсор показал чувствительность до 800 А/Вт. Для сравнения, у многих современных коммерческих фотодатчиков этот показатель составляет примерно 10 А/Вт.

Опытный образец состоит из нескольких прозрачных слоев, работающих совместно. Первый слой фиксирует весь видимый диапазон, второй после фильтрации красного света отвечает за зеленую и синюю составляющие, а третий выделяет только синий цвет. Такой принцип частично напоминает работу человеческого глаза, где разные типы светочувствительных клеток воспринимают отдельные диапазоны света, а затем мозг объединяет их в цветное изображение.

Кроме высокой чувствительности, GZO-сенсоры продемонстрировали впечатляющую устойчивость. Они сохраняли работоспособность при температурах до 400°C, в условиях вакуума и при высокой влажности. Это делает технологию потенциально интересной не только для смартфонов, но и для автомобильной электроники, промышленного оборудования и космических систем.

Еще одним преимуществом разработки стал относительно простой процесс изготовления. По словам исследователей, новые сенсоры можно производить при комнатной температуре, что в перспективе может снизить стоимость их массового выпуска.

Пока технология находится на стадии лабораторного прототипа, однако ученые считают, что прозрачные многослойные сенсоры могут стать основой нового поколения камер — более компактных, чувствительных и эффективных, чем современные решения.