[PHYS ORG] 색상 분류 금속 렌즈로 이미징 감도 향상

연구원들은 새로 설계된 픽셀 규모 메타표면 렌즈(나노구조를 사용하여 빛을 조작하는 평평한 표면)를 사용하여 오늘날 사용되는 것보다 약 3배 더 민감한 이미징 센서를 만들 수 있음을 보여주었습니다. 새로운 센서 아키텍처는 더 빠르게 또는 더 적은 조명 조건에서 이미지를 생성할 수 있는 디지털 카메라를 가능하게 할 수 있습니다.

“전통적인 이미징 센서 스마트폰에서 사용하는 것과 같이 웨어러블 기기 일본 NTT Device Technology Labs의 Masashi Miyata 연구팀장은 “자율 차량은 각 픽셀 위에 배치된 컬러 필터에 의존하기 때문에 감도가 제한적입니다. 우리의 새로운 메탈 렌즈는 빛 컬러 필터 없이 원색을 동시에 분리하여 감도를 획기적으로 개선할 수 있는 길을 열어줍니다.”

에 광학, Miyata와 동료들은 새로운 메탈렌즈로 만든 필터가 없는 컬러 센서가 컬러 이미지 품질이나 공간 해상도를 희생하지 않으면서 신호 레벨을 크게 향상시켰다고 보고합니다. 그리고 새로운 금속 렌즈는 CMOS 호환 프로세스를 사용하여 만들어지기 때문에 현재 센서에 쉽게 통합되어 필터가 없는 이미징 장치를 만들 수 있습니다.

Miyata는 “우리는 현재 감도 한계를 초과하는 필터가 없는 컬러 이미지 센서의 개발에서 우리의 금속 렌즈가 중요한 역할을 할 것으로 예상합니다.”라고 말했습니다. “이 새로운 센서는 언젠가 사람들이 스마트폰으로 야경을 더 쉽게 캡처하거나 고속 물체를 정확하게 캡처하는 새로운 카메라를 가능하게 하여 보안 및 자율 주행에 유용할 것입니다.”

필터 제거

기존의 센서에서는 다음을 사용하여 색상 정보를 획득합니다. 컬러 필터 빛의 일부를 흡수합니다. 예를 들어 빨간색 필터는 빨간색 파장만 통과시키고 다른 모든 파장은 흡수합니다. 이것은 빛의 약 30%만이 실제로 감지된다는 것을 의미합니다.

감도를 높이기 위해 NTT 연구원들은 색상 분류로 알려진 프로세스를 통해 광학 손실 없이 색상 정보를 획득하는 메탈렌 어레이를 설계했습니다. 여기에는 빛을 빨강, 녹색 및 파랑으로 분할한 다음 각 색상을 다른 픽셀에 집중시키는 작업이 포함됩니다. 픽셀 규모의 메탈렌 어레이는 나노포스트를 1250nm 두께의 질화규소 층으로 에칭하여 생성되었습니다.

다른 픽셀 규모의 색상 분할기가 실험적으로 시연되었지만 비효율적이거나 빛의 편광에 영향을 받거나 비스듬한 각도에서 센서에 닿을 수 있는 빛에 민감하기 때문에 소비자 기기에 실용적이지 않았습니다. 그러나 새로운 메탈렌즈는 분산이 강화된 메타표면 플랫폼을 기반으로 하여 편광에 둔감하게 만들고 모든 컬러 픽셀에 대한 스펙트럼 혼선을 억제합니다. 금속 렌즈는 빛을 집중시키는 데 매우 효율적이기 때문에 색상 분류 성능은 비스듬한 빛의 영향을 받지 않습니다.

센서 성능 평가

연구원들은 광학 현미경을 사용하여 빛이 센서에 도달하기 전에 금속 배열을 통해 이동하는 방식을 모방했습니다. 이 실험은 필터 기반 센서와 비교하여 메탈렌 기반 센서가 손실 없이 2.83배 향상된 신호 레벨로 컬러 이미지를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 색상 품질.

광학 시뮬레이션 연구는 또한 메탈렌 기반 센서 아키텍처가 어두운 장면 또는 초고속 이미징의 제한 요소인 센서 노이즈로 인한 이미지 저하를 덜 나타냄을 보여주었습니다. 이제 그들이 새로운 센서 개념을 시연했으므로 연구원들은 통합된 센서를 만들고 테스트할 계획입니다. 장치 Metalens 어레이를 이미지 센서에 직접 장착하여

“우리의 작업이 메타표면을 기반으로 하는 실용적인 광학 장치 및 시스템의 개발을 더욱 촉진할 수 있기를 바랍니다.”라고 Miyata가 말했습니다. “성능을 크게 향상시키면서 광학 부품을 평평하게 하고 축소할 수 있는 능력을 통해 우리는 광학 메타표면이 이미지 센서뿐만 아니라 디스플레이, 프로젝터 및 증강 또는 가상 현실 장치에 사용되는 것과 같은 다양한 광전자 장치에도 적용될 수 있다고 믿습니다.”