Инженеры под руководством Юй Сик Юна из Мичиганского университета США создали фотосенсор, который сконструирован таким образом, что почти вся площадь пикселя может вырабатывать энергию и одновременно формировать изображение. Благодаря этому удивительному свойству камера имеет размеры менее одного квадратного миллиметра, и может вести съемку достаточно хорошего качества с частотой 15 кадров/сек. Свою разработку ученые опубликовали в журнале IEEE Electron Device Letters.
Лежащие в основе фотокамер и солнечных панелей светодиоды похожи тем, что преобразуют свет в электрический ток. Только солнечные панели сохраняют попадающую на них энергию, а фотокамеры записывают количество попавшей энергии. Именно над объединением этих двух свойств бьются инженеры уже многие годы.
Пока что существует всего несколько подходов к решению этой проблемы:
1) Матрица, в которой для съемки и выработки энергии выделено одно и то же пространство. Плюс в том, что устройство будет малым по размеру, а минус - невозможность одновременно заряжать устройство и делать фотографии. К тому же, и то, и другое будет делаться очень неэффективно;
2) Две отдельные зоны для фотоматриц. Одна будет делать фотографии или видео, в то время как вторая будет нацелена на получение энергии. Здесь уже есть возможность одновременного фотографированиря и зарядки, но не всё так хорошо как хотелось бы. Большую часть пикселя будет занимать солнечная панель, а следственно фотоэлемент будет более громоздким и количество света, так необходимого для качественной фотографии, будет попадать существенно меньше.
Эту проблему ученые из Мичиганского университета решили весьма оригинальным способом. Их изобретение способно одновременно вырабатывать энергию и вести съемку благодаря необычному расположению "солнечных панелей" и фотосенсоров.
Ученые заметили, что светочувствительные диоды в фотокамерах на микроскопическом уровне довольно прозрачные. Большая часть света проходит сквозь их активные элементы, и если расположить «солнечную панель» под ними, то она будет получать часть энергии.
Говоря более научным языком, новая фотоячейка состоит из двух фотодиодов,
которые расположены слоями. Верхний собирает часть носителей заряда, образованных после того, как фотоны выбили электроны из своих позиций, и таким образом получает сигнал для формирования изображения. А нижний улавливает оставшиеся фотоны, и использует их для выработки энергии.
Выходит, что американские инженеры изобрели новый тип камеры, которому не нужна подзарядка. Такие фотодевайсы будут способны работать в любых условиях, где есть освещение. Кажется это идеальный девайс не только для профессиональных фотографов, но и для разведчиков различных спецслужб.
На основе своей разработки инженеры создали прототип фотоматрицы разрешением 100 х 90 пикселей и активной областью 0,86 х 0,66 мм. Она может вырабатывать 30 мкВт энергии в яркий солнечный день. Хоть и чёткость изображения пока оставляет желать лучшего, девайсу на съемку с частотой 15 кадров/сек необходимо всего лишь 10 мкВТ энергии. На такой частоте новый сенсор, теоретически, способен непрерывно снимать при обычном прямом попадании солнца без дополнительной подзарядки. Создатели также заверяют, что их изобретение обладает самой высокой плотностью мощности среди всех существующих.
В своей статье для IEEE изобретатели отмечают, что их датчик запросто может создавать изображения более высокого качества, но только его оптимизировать. Так же еще необходимо оптимизировать энергопотребление. В будущем камера легко сможет работать на более высоких фреймрейтах и при меньшей освещенности.
Юй Сик Юн говорит, что их разработка лучше всего подходит для интернета вещей. Интеллектуальные датчики являются важными компонентами IoT-платформ, а новые фотосенсоры могут оперировать в наименьшем форм-факторе и без энергозатрат.
Однако, ничто не убережет от использования камеры для шпионажа или скрытой съемки. Миллиметровый сенсор невидим для человека, и работает неограниченный срок без нужды в подзарядке. Конечно, устройству понадобятся не только фотоэлементы, а так же средства для хранения и передачи фотографий и видео. Хотя это уже не будет проблемой...