Forscher der Penn State University haben ein neues Gerät entwickelt, das Bilder erzeugt, indem es die roten, grünen und blauen Fotorezeptoren und das neuronale Netzwerk des menschlichen Auges nachahmt. Laut Kai Wang, Assistenzprofessor für Forschung am Department of Materials Science and Engineering der Penn State University, „haben wir ein Design aus der Natur übernommen: Unsere Netzhaut enthält Zapfenzellen, die auf rotes, grünes und blaues Licht reagieren, und ein neuronales Netzwerk, das mit der Verarbeitung dessen beginnt, was wir sehen.“ noch bevor die Informationen an unser Gehirn übermittelt werden.“
„Die farbenfrohe Welt, die wir sehen können, ist das Ergebnis dieses natürlichen Prozesses.“
Um dies in einem künstlichen Gerät zu erreichen, entwickelten die Forscher eine neue Reihe von Sensoren, die aus schmalbandigen Perowskit-Fotodetektoren bestehen, ähnlich unseren Zapfenzellen. Sie kombinierten es mit einem neuromorphen Algorithmus ähnlich unserem neuronalen Netzwerk, um die Daten zu verarbeiten und hochpräzise Bilder zu erzeugen.
Fotodetektoren sind für Kameras und viele andere optische Geräte von entscheidender Bedeutung, da sie Lichtenergie in elektrische Impulse umwandeln. Den Forschern zufolge sind die Rot-, Grün- und Blautöne, aus denen das sichtbare Licht besteht, nur einige Beispiele für Bereiche des Lichtspektrums, die mit Schmalband-Fotodetektoren fokussiert werden können.
Laut Wang haben wir in dieser Arbeit eine revolutionäre Methode zur Herstellung von Perowskit-Material entwickelt, das nur für eine Lichtwellenlänge empfindlich ist. „Wir haben drei verschiedene Perowskit-Materialien entwickelt, die nur für rote, grüne oder blaue Wellenlängen empfindlich sind“, sagt der Autor.
Laut Experten könnte diese Technologie eine Möglichkeit sein, den Einsatz von Filtern in modernen Kameras zu vermeiden, die die Auflösung verringern, die Kosten erhöhen und Produktionsprozesse erschweren.
Die Kameras verwenden Silizium-Fotodetektoren, die Licht absorbieren, aber nicht zwischen Farbtönen unterscheiden können. Rotes, grünes und blaues Licht werden durch einen externen Filter getrennt, der jeweils nur eine Farbe in jeden Bereich des Lichtsensors eindringen lässt und zwei Drittel des einfallenden Lichts verschwendet.
„Einige Informationen gehen verloren, wenn das Licht herausgefiltert wird, aber mit unserem Design kann dies vermieden werden. Daher glauben wir, dass diese Arbeit eine potenzielle Kameraerkennungsmethode darstellen könnte, die dabei helfen kann, eine höhere räumliche Auflösung zu erreichen.
Den Forschern zufolge erzeugen die neuen Geräte aufgrund der Verwendung von Perowskit-Materialien Strom und absorbieren gleichzeitig Licht, was möglicherweise den Weg für batterielose Kameratechnologie ebnet.
Laut Luyao Zheng, einem Postdoktoranden an der Penn State, „ähnelt die Gerätestruktur Solarzellen, die Licht zur Stromerzeugung nutzen.“ „Wenn man Licht darauf richtet, erzeugt es einen Strom. Wir müssen keine Energie aufwenden, um diese Informationen aus dem Licht zu gewinnen, so wie es unsere Augen tun.
Als Ergebnis dieser Forschung können weitere Fortschritte in der Biotechnologie künstlicher Netzhäute erzielt werden. Den Forschern zufolge könnten Geräte, die auf dieser Technik basieren, eines Tages dazu verwendet werden, beschädigte oder abgestorbene Zellen in unseren Augen zu ersetzen und so das Sehvermögen wiederherzustellen.
Die Forscher schreiben in der Zeitschrift Science Advances, dass die Entdeckungen mehrere wichtige Fortschritte in der Entwicklung von Perowskit-Schmalband-Photodetektionsgeräten widerspiegeln, von der Materialsynthese über das Gerätedesign bis hin zur Systeminnovation.
Perowskite sind Halbleiter, die bei Lichteinfall Elektron-Loch-Paare erzeugen. Elektrische Ströme werden erzeugt, indem diese Elektronen und Löcher in entgegengesetzte Richtungen geschickt werden.
In den Dünnschicht-Perowskiten dieser Studie fließen Löcher schneller durch das Material als Elektronen, die eine erhebliche Instabilität beim Elektron-Loch-Transport aufweisen. Durch die Anpassung der Architektur oder der Art und Weise, wie die Schichten in instabilen Perowskiten gestapelt sind, entdeckten die Forscher, dass sie Eigenschaften nutzen konnten, die es den Materialien ermöglichen würden, als Schmalband-Fotodetektoren zu fungieren.
Diese Materialien wurden zur Herstellung eines Sensorarrays verwendet und ein Projektor wurde verwendet, um ein Bild durch das Gerät zu beleuchten. Zur Signalverarbeitung und Bildrekonstruktion wurden Daten aus den roten, grünen und blauen Schichten in einen neuromorphen Algorithmus mit drei Unterschichten eingegeben. Eine Art von Computertechnologie, die als neuromorphe Algorithmen bekannt ist, zielt darauf ab, die Funktionsweise des menschlichen Gehirns nachzuahmen.
Wang fügte hinzu, dass sie verschiedene Datenverarbeitungsmethoden ausprobiert hätten. „Wir haben versucht, die drei Farbschichtsignale direkt zu kombinieren, aber das Ergebnis war nicht sehr klar. Wenn wir jedoch diese neuromorphe Verarbeitung anwenden, sieht das Bild viel mehr wie das Original aus.
Die Forscher erklärten, dass das Programm dem neuronalen Netzwerk in der menschlichen Netzhaut ähnelt, und sagten, ihre Ergebnisse könnten daher ein neues Licht auf die Bedeutung dieser neuronalen Netzwerke für das Sehvermögen werfen.
Laut Wang können wir durch die Kombination unseres Geräts und dieser Methode zeigen, dass die Fähigkeit neuronaler Netzwerke für die visuelle Verarbeitung im menschlichen Auge von entscheidender Bedeutung ist.
Quelle: techxplore.com/news
Günceleme: 13/05/2023 21:58