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人間とコンピュータにとってより良い画像

July, 3, 2025, Zurich--ETH ZurichとEmpaの研究者は、ペロブスカイトで作られた新しいイメージセンサを開発した。この半導体材料は、より少ない光でより良い色再現とより少ない画像アーティファクトを可能にする。また、ペロブスカイトセンサは、マシンビジョンにも特に適している。

イメージセンサは、すべてのスマートフォンやデジタルカメラに内蔵されている。それらは人間の目と同じように色を区別する。われわれの網膜では、個々の錐体細胞が赤、緑、青(RGB)を認識する。イメージセンサでは、個々の画素が対応する波長を吸収し、電気信号に変換する。

イメージセンサの大部分はシリコンでできている。この半導体材料は通常、可視スペクトル全体にわたって光を吸収する。RGBイメージセンサを製造するためには、入射光をフィルタリングする必要がある。赤のピクセルには、緑や青などをブロック (つまり無駄にする) フィルタが含まれている。したがって、シリコンイメージセンサの各ピクセルは、利用可能な光の約3分の1しか受けない。

ETH-ZurichとEmpaの両方に関連するMaksym Kovalenkoと同氏のチームは、色認識のためにすべての光子を利用できる新しいソリューションを提案した。同氏は、10年近くにわたり、ペロブスカイトベースのイメージセンサの研究に取り組んできた。Nature誌に掲載された新しい研究では、新技術が機能することが示されている。

スタックされたピクセル
その革新的なイメージセンサの基盤となっているのが、ハロゲン化鉛ペロブスカイト。この結晶性材料は半導体でもある。しかし、シリコンとは対照的に、シリコンは特に加工が容易である、つまり、その物理的特性は正確な化学組成で異なっている。これこそが、研究者がペロブスカイトイメージセンサの製造で活用していることである。

ペロブスカイトに含まれるヨウ素イオンがわずかに多い場合、ペロブスカイトは赤色光を吸収する。研究者は、グリーンの場合は臭素を、ブルーの場合は塩素を多く追加するが、フィルタは不要である。ペロブスカイトピクセル層は、他の波長に対して透明なままであるため、透過することができる。つまり、赤、緑、青の画素をイメージセンサ内で重ねることができるが、シリコンイメージセンサのようにピクセルが並んで配置されているのとは異なる。

この配置により、ペロブスカイトベースのイメージセンサは、理論的には、同じ表面積の従来のイメージセンサの3倍の光を取り込むことができ、さらに3倍の空間分解能を提供することができる。Kovalenkoのチームの研究者たちは、数年前に、ミリメートル単位の大きな単結晶で作られた個々の特大ピクセルでこれを実証することができた。

今回、研究チームは初めて、2つの完全に機能する薄膜ペロブスカイトイメージセンサを構築した。「われわれは、この技術を大まかな原理証明から、実際に使用できる次元までさらに発展させている」(Kovalenko)。電子部品の通常の開発過程である:「最初のトランジスタは、いくつかの接続を持つ大きなゲルマニウムで構成されていた。60年後の今日、トランジスタのサイズはわずか数ナノメートルだ。」

ペロブスカイトイメージセンサは、まだ開発の初期段階にある。しかし、2つのプロトタイプにより、研究チームはこの技術が小型化可能であることを示すことができた。業界で一般的な薄膜プロセスを使用して製造されたセンサは、少なくとも垂直寸法で目標サイズに達している。「もちろん、最適化の可能性は常にありる」と、共著者、KovalenkoチームのSergii Yakuninはコメントしている。

研究チームは、読み出し技術が異なる2つのプロトタイプを数多くの実験で試した。その結果、ペロブスカイトの利点が証明されている:このセンサは、光に対してより感度が高く、色再現の精度が高く、従来のシリコン技術よりも大幅に高い解像度を提供できる。各ピクセルがすべての光をキャプチャするという事実は、デモザイク処理やモアレ効果など、デジタル写真のアーティファクトの一部も排除するということである。

医療と環境のためのマシンビジョン
しかし、ペロブスカイトイメージセンサの応用分野は、民生用デジタルカメラだけではない。この材料の特性により、とりわけマシンビジョンでの使用にも適している。赤、緑、青への焦点は人間の目によって決定される:これらのイメージセンサは、われわれの目がRGBモードで見るため、RGB形式で動作する。ただし、特定のタスクを解決する場合は、コンピュータのイメージセンサが読み取る必要がある他の最適な波長範囲を指定することが望ましい。多くの場合、3つ以上あり、いわゆるハイパースペクトルイメージングである。

ペロブスカイトセンサは、ハイパースペクトルイメージングにおいて決定的な優位性を持っている。研究者は、各層が吸収する波長範囲を正確に制御できる。「ペロブスカイトを使用すると、互いに明確に分離された多数のカラーチャネルを定義できる」(Yakunin)。シリコンは、その広い吸収スペクトルにより、多数のフィルタと複雑なコンピュータアルゴリズムを必要とする。「これは、色の数が比較的少ない場合では、極めて非現実的である」(Kovalenko)。ペロブスカイトをベースにしたハイパースペクトルイメージセンサは、医療分析や農業や環境の自動監視などに使用できる。

次のステップでは、研究チームはペロブスカイトイメージセンサのサイズをさらに縮小し、ピクセル数を増やしたいと考えている。この 2 つのプロトタイプのピクセル サイズは 0.5 から 1 mmである。市販のイメージセンサのピクセルは、マイクロメートルの範囲(1µmは0.001mm)に分類される。「ペロブスカイトからは、シリコンよりもさらに小さな画素を作ることができるはずである」とYakuninは言う。電子接続と処理技術は、新しいテクノロジーに適合させる必要がある。「今日の読み出し電子機器は、シリコン用に最適化されている。しかし、ペロブスカイトは異なる半導体であり、材料特性も異なる」とKovalenkoは言う。とは言え、研究チームは、これらの課題は克服できると確信している。