Современные электронные устройства, такие как смартфоны, камеры и некоторые медицинские приборы, повсеместно оснащаются цифровыми датчиками изображений (DIS). Эти устройства преобразуют поступающий свет в электрические сигналы, формируя изображения. Основу DIS составляют миниатюрные светочувствительные элементы – пиксели, фиксирующие яркость и цветовую информацию.
Для улучшения качества изображений, получаемых с помощью DIS, разработчики увеличивают плотность пикселей, размещая больше элементов на меньшей площади. Однако уменьшение размеров пикселей приводит к снижению количества улавливаемого света, что ослабляет полезный сигнал и усиливает случайные флуктуации (шум). Это проявляется в зернистости и потере детализации, особенно в условиях недостаточного освещения.
Исследователи из Университета Цинхуа предложили инновационный метод для повышения разрешения изображений, сформированных DIS. Их подход, описанный в журнале Nature Electronics, заключается в интеграции датчика изображения с миниатюрным механическим устройством, которое незначительно смещает датчик в процессе съемки. Это позволяет захватить больше визуальной информации.
По словам Сяогуана Чжао, старшего автора исследования, главной проблемой в области DIS является приближение миниатюризации пикселей к физическим пределам из-за ограничений соотношения сигнал/шум. При этом растет потребность в расширенном пространственно-временном продукте (SBP), который характеризует объем захватываемой визуальной информации.
Команда Чжао разработала новую универсальную парадигму формирования изображений, которая увеличивает SBP. Этот метод сочетает миниатюризацию пикселей с интеграцией микроэлектромеханической системы (МЭМС). В результате был создан датчик DIS нового поколения (MSEIS), где чип DIS интегрирован с МЭМС-приводом. Точное управление МЭМС-приводом обеспечивает субпиксельную пространственную модуляцию, отделяя период дискретизации от размера пикселя. Точность перемещения привода, достигающая нанометрового уровня, определяет период дискретизации.
Преимущество данного решения заключается в его применении на уровне чипа, что позволяет создавать компактные датчики, легко интегрируемые с другими компонентами. Эксперименты показали, что подход увеличивает светочувствительную площадь примерно в 33,7 раза и может быть интегрирован в существующие системы.
Предложенная парадигма открывает новые перспективы для развития передовых технологий визуализации, позволяя в будущем повышать разрешение и четкость изображений. Теоретическая модель визуализации на основе оптики Фурье количественно описывает эффект усиления SBP. Созданный датчик успешно увеличил разрешение примерно в 33,7 раза, сократив эквивалентный период дискретизации.
В будущем датчик может использоваться для таких задач, как локализация точечных объектов, включая звезды. Исследователи также планируют оптимизировать стратегии сканирования и выборки для высокоскоростной визуализации и исследуют совместное производство МЭМС и КМОП.
