Команда дослідників з наукового інституту NanoSystems при Каліфорнійському університеті Лос-Анджелеса розробила пристрій, який знижує відблиски на зображеннях. Розробка в якій застосовується технологія двовимірного напівпровідника, може використовувати навколишнє світло як передовий «розумний фільтр». Розробники стверджують, що їхній фільтр допомагає значно підвищити якість фотографій у недорогих камер.
Створений пристрій розміром 0,4×0,4 дюйма (1×1 сантиметр) оснащений ультратонким прозорим чіпом завтовшки всього кілька атомів, в якому міститься масив пікселів розміром 100Х100.
«Недорогий пристрій розміром у пару сантиметрів міг би змусити малопотужну камеру працювати як камера надвисокої роздільної здатності. Це значно здешевило б доступ до технологій зображення та сканування з високою роздільною здатністю», — коментує Айдоган Озджан (Aydogan Ozcan), професор електротехніки та комп’ютерної інженерії Каліфорнійського університету Лос-Анджелеса та співавтор дослідження. Подробиці дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.
Команда дослідників прагнула знайти матеріал із мінімальним світлопоглинанням, але при цьому здатний генерувати сигнал, достатній для обробки світла. Об’єкт дослідження є прозорою площиною розміром один квадратний сантиметр. У ньому використовується двомірний напівпровідник, який є тонкою плівкою товщиною в кілька атомів. Через свою тонкість матеріал прозорий, але тим не менш володіє властивостями, що дозволяють фотонам, що проходять через нього, ефективно контролювати електропровідність. Для функціонування напівпровідника 2D його підключили за допомогою електродів до шару рідкого кристала. Кінцевим продуктом виявився інтелектуальний світлофільтр з роздільною здатністю 10 000 пікселів, який може швидко та вибірково затемнюватися нелінійним чином у відповідь на широкосмугове навколишнє освітлення.
За словами команди, кожен піксель у складі фільтра може переходити від повної прозорості до часткової прозорості та повної непрозорості. Примітно, що для різкої зміни стану потрібна мінімальна кількість фотонів. Дослідники продемонстрували роботу свого винаходу із камерою смартфона, де він ефективно зменшив відблиски на зображеннях.
Крім зниження відблисків фотокамер технологія має широкий потенціал застосування у споживчих та промислових завданнях. Наприклад, вона може використовуватися в розвинених системах автономного розпізнавання транспортних засобів і в камерах, які можуть ідентифікувати одні об’єкти, приховуючи інші, в шифруванні зображень, а також для швидкого і точного виявлення дефектів роботизованих складальних лініях.
Як зазначають дослідники, подібний фільтр має безліч переваг. Наприклад, він дозволяє обробляти вхідні зображення без необхідності їх перетворення на цифровий сигнал, тим самим прискорюючи отримання результатів та мінімізуючи дані, що надсилаються в хмару для цифрової обробки та зберігання.
Розробники очікують, що їхня технологія в перспективі використовуватиметься в недорогих камерах. Крім того, вона може сприяти розвитку оптичних комп’ютерів. Однією з ключових проблем останніх була складність отримання нелінійних відгуків, що мають вирішальне значення для генерації сигналів, які не суворо пропорційні вхідному сигналу. Нелінійність, у свою чергу, має вирішальне значення для створення універсальних обчислювальних систем, включаючи штучний інтелект.
Нелінійні матеріали та пристрої, що знаходяться в розробці, вимагають значного припливу світла для ефективної роботи. Для задоволення цієї потреби доводиться покладатися потужні лазери, обмежені вузькою смугою електромагнітного спектра. В якості альтернативи можна використовувати матеріали з низькою швидкістю поглинання світла, але це призводить до зниження швидкості обробки. Крім того, це вимагає застосування енергоефективних матеріалів, здатних поглинати значну кількість світла, але не придатних для завдань, у яких пріоритет надається світлоефективності чи прозорості.
Дослідження фахівців Каліфорнійського університету показало, що крихітний масив прозорих пікселів може генерувати швидку, широкомасштабну та нелінійну реакцію на малопотужне навколишнє світло. «Актуальні рішення у нелінійній оптиці сильно відстають від того, що нам потрібно для додатків візуальних обчислень. А нам потрібні малопотужні, широкосмугові, з низькими втратами та швидкі нелінійності для оптичних систем. Наша розробка допомагає вирішити це питання», — додав Озджан.
