Cảm biến ảnh làm từ graphene giúp tăng độ nhạy sáng lên 1000 lần, tiết kiệm điện hơn

Phó giáo sư Wang Qijie của trường đại học kỹ thuật Nanyang, Singapore.

Một nhóm các nhà khoa học đến từ trường đại học kỹ thuật Nanyang (NTU) ở Singapore đã phát triển được một loại cảm biến ảnh mới làm từ graphene, hứa hẹn sẽ giúp cải thiện chất lượng ảnh chụp trong điều kiện thiếu sáng. Qua các thử nghiệm, loại cảm biến ảnh mới làm từ graphene cho thấy nó có độ nhạy sáng cao hơn đến 1.000 lần so với các cảm biến phổ biến hiện nay như CMOS hay CCD, ngoài ra nó còn có thể hoạt động ở hiệu điện thế thấp hơn nhiều, giúp giảm lượng tiêu thụ điện khoảng 10 lần.

Loại cảm biến mới này có thể nhận diện được vùng quang phổ rộng, từ mức nhìn thấy được đến mức cận hồng ngoại, với độ nhạy sáng rất cao. Cho nên nó phù hợp với tất cả các loại máy ảnh như camera hồng ngoại, camera an ninh giao thông hay camera gắn trên các vệ tinh… Theo NTU, công nghệ này sẽ cho phép các nhiếp ảnh gia tạo ra được những bức ảnh rõ ràng hơn trong điều kiện ánh sáng yếu và một khi nó được sản xuất đại trà, giá thành ước đoán của các cảm biến ảnh làm từ graphene sẽ rẻ hơn khoảng 5 lần so với các cảm biến ảnh hiện tại.

Dự án này được dẫn đầu bởi phó giáo sư Wang Qijie của ngành Điện & Điện tử thuộc trường NTU và đã thực hiện được 2 năm. Ông Wang cho biết: “Chúng tôi đã chứng minh rằng giờ đây có thể tạo ra được các cảm biến ảnh mới với độ linh hoạt, nhạy sáng và giá thành rẻ từ chất liệu graphene. Chúng tôi hy vọng công nghệ mới này sẽ có tác động lớn không chỉ đến ngành ảnh dân dụng, mà còn có hiệu quả với cả công nghệ chụp ảnh vệ tinh và truyền thông, cùng với đó là các ứng dụng cận hồng ngoại.”

Một trong những thuận lợi cho việc chế tạo loại cảm biến ảnh graphene theo quy mô thương mại đó là các nhà sản xuất chỉ cần có những thay đổi rất nhỏ để thay thế chất liệu graphene vào trong quy trình chế tạo các cảm biến CMOS hiện tại.

Mô phỏng cấu trúc của Graphene.

Nói sơ về graphene, thì đây là một loại vật liệu được cấu thành từ Carbon nguyên chất, có hình các ô lục giác ghép lại với nhau ở mức độ nguyên tử, siêu nhẹ và siêu cứng, với độ dày chỉ có 1 nguyên tử mà thôi. 1 mét vuông Graphene có cân nặng chỉ 0,77 miligram (tức bằng 0,00077 gram). Graphene có thể bền hơn thép 300 lần đồng thời dẫn điện tốt hơn đồng tới 1 triệu lần.

Phó giáo sư Wang Qijie đã tìm ra một phương thức mới để tạo ra cấu trúc nano trên graphene, giúp “thu nhận” các hạt photon ánh sáng (bài gốc: light-generated electron particle) trong một thời gian dài hơn, biến chúng thành một tín hiệu điện mạnh hơn. Các tín hiệu điện này sau đó được xử lý thành dạng ảnh, giống như là cách các nhiếp ảnh gia chụp ảnh bằng một camera kỹ thuật số.

Lượng hạt electron ánh sáng thu được chính là chìa khoá để đạt mức độ nhạy sáng cao với graphene, mang lại hiệu quả cao hơn nhiều so với cảm biến CMOS hay CCD. Về cơ bản, tín hiệu điện được tạo ra càng mạnh, thì ảnh thu được sẽ càng rõ ràng và sắc nét hơn.

Nãy giờ chúng ta có nhắc đến khái nhiệm độ nhạy sáng. Nếu bạn nào có chơi nhiếp ảnh thì sẽ biết được khái niệm này, và hiểu được tầm quan trọng của nó. Trong nhiếp ảnh, ký hiệu của độ nhạy sáng là ISO, nó là một trong 3 yếu tố quan trọng hàng đầu, bên cạnh khẩu độ và tốc độ. Nếu chụp ảnh ở điều kiện ánh sáng bình thường thì độ nhạy sáng không đóng vai trò quyết định. Nhưng nếu phải chụp ở một nơi thiếu sáng thì lúc này độ nhạy sáng mới bắt đầu phát huy tác dụng.

Ví dụ như khi chụp ảnh thể thao thì các tay máy luôn cố gắng thiết lập khẩu độ ở mức lớn (khoảng f2.8 hoặc thấp hơn) và tốc độ màn trập phải duy trì ở mức 1/500s, để đảm bảo có thể dừng được chuyển động. Để có được thiết lập như vậy thì chắc chắn họ phải cần đến sự trợ giúp của độ nhạy sáng (ISO), và họ phải chấp nhận bức ảnh sẽ bị nhiễu hạt (noise). Mặc dù các cảm biến ảnh hiện tại cũng đã đạt được mức nhạy sáng khá tốt, nhưng nếu tốt hơn thì vẫn tuyệt hơn. Theo Wang Qijie, với cảm biến ảnh làm từ graphene, các tay máy sẽ không cần phải tăng ISO trong các điều kiện ánh sáng yếu.

So sánh 2 bức ảnh chụp ở 2 mức ISO khác nhau.

Phó giáo sư Wang Qijie đã đăng ký bản quyền cho phát minh này và đang lên kế hoạch tìm kiếm đối tác để tiếp tục phát triển cảm biến ảnh graphene và đưa vào sản xuất thương mại.

Theo Gizmag