Špičkové zařízení využívající dvourozměrnou polovodičovou technologii je schopno využívat okolní světlo, aby fungovalo jako pokročilý „chytrý filtr“. Tým tvrdí, že filtr pomáhá výrazně zlepšit kvalitu fotografií pořízených levnými fotoaparáty.
Jak zařízení vypadá a funguje?
Toto kompaktní zařízení o rozměrech 1×1 centimetr je vybaveno průhledným čipem s ultratenkou tloušťkou, který se skládá z pole 100 x 100 pixelů zkonstruovaného pouze z několika atomů.
„Nenákladné zařízení měřící několik centimetrů by mohlo způsobit, že fotoaparát s nízkým výkonem bude fungovat jako fotoaparát s vysokým rozlišením. To by demokratizovalo přístup k zobrazování a snímání ve vysokém rozlišení,“ uvedl v prohlášení Aydogan Ozcan, profesor elektrotechniky a počítačového inženýrství na UCLA a spoluautor studie. Podrobnosti o výzkumu, který provedl tým z California NanoSystems Institute na UCLA (CNSI), byly zveřejněny v časopise Nature Communications.
Transparentní 2D polovodič
Cílem týmu bylo využít materiál s minimální absorpcí světla a zároveň generovat signál adekvátní pro účely zpracování světla. Přístrojem studie je jasná plocha o velikosti jednoho centimetru čtvereční. Využívá 2D polovodič, který je reprezentován jako tenký film o několika atomech.
Materiál je transparentní díky své tenkosti, přesto má vlastnosti, které umožňují příchozím fotonům efektivně řídit elektrickou vodivost. Pomocí různých elektrod připojili vědci 2D polovodič k vrstvě tekutých krystalů, aby mohl fungovat.
Konečným produktem je inteligentní filtr s 10 000 pixely, který dokáže rychle a selektivně ztmavit nelineárním způsobem v reakci na širokopásmové okolní světlo.
Podle týmu může každý pixel přejít od úplné průhlednosti přes částečnou průhlednost až po úplné neprůhlednost. Je pozoruhodné, že k vyvolání dramatické změny průhlednosti je zapotřebí jen minimální počet fotonů.
To znamená významný pokrok směrem k optickým počítačům pro zpracování vizuálních informací. Tým představil aplikaci integrující jejich zařízení s fotoaparátem smartphonu, aby snížil odlesky na snímcích.
Kromě ověřené redukce oslnění ve studii má tato technologie širokou škálu spotřebitelských a průmyslových aplikací. To zahrnuje vylepšené autonomní snímání vozidel, kamery, které dokážou identifikovat některé objekty, zatímco jiné skryjí, šifrování obrazu a rychlou a přesnou identifikaci nedostatků na robotických montážních linkách, abychom jmenovali jen některé.
Kromě toho zařízení nabízí řadu výhod. Umožňuje například zpracování příchozích obrázků bez nutnosti převodu na digitální signál, čímž zrychluje výsledky a minimalizuje data odesílaná do cloudu pro digitální zpracování a ukládání.
Výzkumníci očekávají integraci své technologie s levnými kamerami, které komprimují data a vytvářejí snímky s výrazně vyšším rozlišením. Tento pokrok umožňuje přesnější zachycení užitečných informací týkajících se uspořádání objektů v prostoru a elektromagnetických spekter ve světle.
Pokrok ve výpočetních technologiích založených na světle
Tento pokrok také přispívá k rozvoji počítačů založených na světle, což je nově se objevující oblast, která se vyznačuje četnými experimenty poskytujícími prototypy zařízení a čipů. Až dosud se optické výpočty potýkaly s problémem při dosahování nelineárních odezev, zásadních pro generování signálů, které nejsou přesně úměrné vstupu. Nelinearita je klíčová pro umožnění univerzálních počítačových aplikací, včetně umělé inteligence.
Ve vývoji vyžadují nelineární materiály a zařízení značný příliv světla, aby fungovaly efektivně.
Dříve splnění této potřeby znamenalo spoléhat se na vysoce výkonné lasery omezené na úzké pásmo elektromagnetického spektra. Alternativně se jednalo o materiály s nízkou rychlostí absorpce světla, což vedlo k pomalé rychlosti zpracování.
Dále to vyžadovalo použití energeticky neefektivních materiálů schopných absorbovat značné množství světla, ale nevhodných pro aplikace upřednostňující světelnou účinnost nebo průhlednost.
Nyní výzkumníci CNSI ilustrovali, že nepatrné pole průhledných pixelů může generovat rychlou, širokorozsahovou, nelineární reakci z okolního světla s nízkou spotřebou.
„Optické nelinearity jsou daleko za tím, co potřebujeme pro vizuální počítačové aplikace. Potřebujeme nízkoenergetické, širokopásmové, nízkoztrátové a rychlé nelinearity pro optické systémy, abychom splnili naše vizuální počítačové potřeby. Tato práce pomáhá vyplnit tuto mezeru,“ řekl Ozcan.
