Se hai mai provato a scattare una foto in un ristorante buio, sai che è difficile ottenere un chiaro, immagine di qualità. Nel futuro, le fotocamere potrebbero non avere problemi in queste condizioni grazie a un metodo di nuova concezione per curvare sfericamente i sensori di immagine piatta presenti nelle odierne fotocamere digitali.

"Il nostro approccio alla curvatura dei sensori di immagine disponibili in commercio potrebbe consentire di avere una nuova classe di fotocamere che sarebbe molto piccola, ma hanno una qualità dell'immagine paragonabile ai sensori di immagine che si trovano in fotocamere molto più grandi, " ha detto Brian Guenter, capo del team di Microsoft Research. "Oltre a migliorare le fotocamere consumer, sensori curvi potrebbero essere utilizzati per creare telecamere migliori per la sorveglianza, display montati sulla testa e progressi nella navigazione autonoma dei veicoli.

La maggior parte delle fotocamere odierne utilizza obiettivi costituiti da più elementi ottici che correggono vari errori ottici, o aberrazioni, e che manipolano anche l'immagine in modo che possa essere rilevata da un sensore piatto. Usando una curva, piuttosto che piatto, sensore di immagine significa che gli elementi ottici devono fare meno lavoro per correggere e appiattire l'immagine, rendendo possibile l'utilizzo di un minor numero di elementi ottici. Questo non si traduce solo in più piccoli, lenti più veloci e meno costose, ma rende anche più facile migliorare altre proprietà dei componenti ottici.

"Quando si utilizzano sensori curvi, è possibile correggere le aberrazioni in modo molto più efficiente, semplificando la creazione di obiettivi molto grandangolari che producono immagini nitide su tutto il campo visivo o per creare obiettivi veloci che producono immagini migliori in condizioni di scarsa illuminazione, " ha detto Neel Joshi, un membro del gruppo di ricerca. "È anche più semplice realizzare fotocamere che mostrino un'illuminazione uniforme su tutta l'immagine".

Nella rivista The Optical Society Optics Express , ricercatori di Microsoft Research e del laboratorio di ricerca e sviluppo HRL Laboratories LLC, riferiscono che il loro nuovo metodo può creare sensori di immagine con una curvatura sferica tre volte maggiore rispetto a quanto riportato in precedenza. Sono stati in grado di incorporare uno dei sensori in un prototipo di fotocamera. Rispetto alle odierne fotocamere reflex commerciali di fascia alta (SLR) di fascia alta, la fotocamera con il nuovo sensore ha prodotto immagini a risoluzione più elevata su tutto il campo visivo.

"Sebbene i vantaggi dell'utilizzo di sensori curvi siano noti da tempo, il nostro lavoro ora rende pratico creare telecamere con sensori curvi, " ha detto Richard Stoakley, un membro del gruppo di ricerca. "L'aggiunta di una curvatura sferica a un sensore di immagine standard può essere eseguita a un costo ragionevole e in un modo che mostra vantaggi significativi".

Creare la fotocamera ideale

Il nuovo approccio per la creazione di sensori curvi è nato da una domanda che i ricercatori si sono posti circa sette anni fa:"Come sarebbe una fotocamera ideale?" Hanno deciso che una fotocamera del genere avrebbe scattato foto in condizioni di scarsa illuminazione, essere molto piccolo, e produrre immagini estremamente nitide.

"Al tempo, non era possibile fare una macchina fotografica del genere, " ha detto Guenter. "Abbiamo pensato che se potessimo migliorare l'ottica di una fotocamera creando un obiettivo più veloce, potremmo potenzialmente utilizzare un sensore più piccolo pur raccogliendo abbastanza luce per ottenere una buona immagine. Questo ci ha motivato a iniziare a studiare i sensori curvi come un modo per ottenere potenzialmente prestazioni rivoluzionarie".

Per realizzare sensori curvi, i ricercatori hanno posizionato i singoli sensori tagliati da un wafer di sensore di immagine CMOS assottigliato in stampi su misura e quindi hanno utilizzato la pressione pneumatica per spingere ciascun sensore nello stampo. Altri tentativi di curvare un sensore hanno in genere comportato l'incollaggio dei bordi verso il basso e il tentativo di spingere al centro del sensore. Però, questo crea punti di forte stress che causano la rottura del sensore prima che raggiunga il livello di curvatura target.

I ricercatori hanno ottenuto una curvatura significativamente maggiore dai sensori lasciandoli fluttuare liberamente durante il processo di piegatura, che ha permesso alle sollecitazioni di dissiparsi gradualmente. Hanno anche usato uno stampo dalla forma speciale che crea molto lentamente lo stress attorno ai bordi del chip mentre viene premuto nello stampo. Laboratori HRL a contratto Microsoft, che ha capacità e attrezzature per la fabbricazione di semiconduttori, per aiutare a risolvere alcune delle sfide fisiche specifiche coinvolte nella piegatura dei sensori.

"Questo lavoro ha comportato un'ampia quantità di sperimentazioni, " ha detto Joshi. "Ogni singola superficie coinvolta deve essere trattata con cura per mostrare le proprietà esatte necessarie affinché il sensore finisca con la giusta quantità di stress senza rompersi."

I test hanno mostrato che la curvatura dei sensori non ha modificato nessuna delle loro caratteristiche elettriche o di imaging. Se utilizzato in una fotocamera prototipo con un obiettivo f/1.2 appositamente progettato, un sensore curvo ha mostrato una risoluzione più del doppio di quella di una fotocamera reflex di fascia alta con un obiettivo simile. Verso i bordi dell'immagine, il sensore curvo era circa cinque volte più nitido della fotocamera reflex.

Sebbene la maggior parte delle fotocamere mostri una riduzione del rilevamento della luce intorno agli angoli del sensore di immagine, i ricercatori hanno dimostrato che i sensori curvi non hanno perso quasi luce. Questo è stato un miglioramento significativo rispetto alla diminuzione di circa il 90% misurata per la fotocamera SLR commerciale.

"Abbiamo dimostrato che puoi prendere un sensore standard, curvarlo e migliorare notevolmente le prestazioni del sistema ottico, " ha detto Guenter. "Questo può essere fatto con costi relativamente bassi ed effettivamente senza svantaggi".

Sensori curvi per telefoni cellulari

Sebbene il prototipo di fotocamera riportato nel documento abbia le dimensioni di una piccola fotocamera consumer, i ricercatori affermano che le lenti potrebbero essere abbastanza piccole per telefoni cellulari e tablet. Dovrebbe anche essere possibile costruire macchine in grado di produrre in serie questi sensori curvi, consentendo di incorporare l'elaborazione aggiuntiva nella produzione di sensori esistente in modo da ammortizzare bene la produzione di volume.

I ricercatori stanno ora lavorando per vedere se ulteriori miglioramenti potrebbero produrre sensori con una curvatura ancora maggiore. Vogliono anche sperimentare sensori curvi che operano a lunghezze d'onda infrarosse, che potrebbe essere utile per i telescopi, mappatura spaziale 3D, autenticazione biometrica e varie applicazioni scientifiche. Sebbene avvertano che è improbabile che i prodotti commerciali con i sensori curvi saranno disponibili presto, sono interessati a lavorare con altre aziende per migliorare ulteriormente i sensori ed eseguire i faticosi test di robustezza che sarebbero necessari per prepararsi alla produzione di massa.

"Penso che abbiamo aperto le porte a una classe di obiettivi completamente nuova, " ha dichiarato Stoakley. "Sono entusiasta di vedere come il nostro gruppo e altri utilizzano sensori curvi per ottenere ancora più miglioramenti nella qualità della fotocamera attraverso un design innovativo delle lenti".