Un’innovazione pubblicata su “Nature” promette di superare i limiti dei sensori d’immagine attuali, offrendo una qualità cromatica più fedele alla percezione umana e maggiore efficienza nella raccolta della luce. Le fotocamere digitali odierne si affidano a sensori con filtri di colore (CFA – Color Filter Array) disposti su ogni pixel per separare luce rossa, verde e blu. Questo approccio, sebbene efficace, comporta due grossi svantaggi:
- Perdita di luce: ogni filtro blocca due terzi dello spettro visibile, riducendo significativamente l’efficienza ottica.
- Artefatti di demosaicizzazione: l’immagine deve essere ricostruita interpolando i valori di colore dei pixel vicini, introducendo imprecisioni.
Una valida alternativa è rappresentata dai sensori tipo Foveon, che impilano tre strati fotosensibili per catturare direttamente RGB senza filtri, ma questi soffrono di bassa selettività spettrale e richiedono correzioni digitali complesse.
La soluzione: fotodiodi impilati a base di perovskite
Il team guidato da Sergii Yakunin e Maksym Kovalenko ha sviluppato una piattaforma rivoluzionaria: un sensore basato su film sottili di perovskite impilati verticalmente, ciascuno progettato per assorbire selettivamente una regione dello spettro visibile (rosso, verde, blu).
Caratteristiche principali:
- Nessun bisogno di filtri di colore: le perovskiti agiscono come filtri attivi grazie alla loro ampia modulabilità del bandgap.
- Alta efficienza quantica esterna (EQE): 53% (blu), 47% (verde), 50% (rosso).
- Accuratezza cromatica: valore ΔE_Lab di 3,8, superiore sia ai sensori CFA che a quelli Foveon.
Tecnologia e funzionamento
La struttura è composta da tre fotodiodi impilati verticalmente:
- Blu: perovskite CsPbBr₂Cl
- Verde: perovskite CsPbBr₂I
- Rosso: perovskite MAPbBrI₂
Questi strati sono separati da materiali dielettrici e trasportatori di carica ottimizzati, depositati tramite evaporazione fisica controllata per evitare difetti come la dissoluzione tra strati. Ogni pixel cattura tutti e tre i canali colore, eliminando la necessità di interpolazioni (demosaicing). Il risultato è una risoluzione spaziale più alta e immagini prive di artefatti.
Implicazioni per AI e machine vision
Oltre all’applicazione nelle fotocamere per consumatori, questi sensori sono ideali per:
- Visione artificiale: grazie alla nitidezza nella separazione spettrale, possono distinguere sottili variazioni cromatiche.
- Applicazioni industriali e mediche: dove la fedeltà del colore è critica.
- Dispositivi miniaturizzati: maggiore efficienza significa sensori più piccoli e ottiche semplificate.
Prestazioni e test
Il gruppo ha testato il dispositivo con la famosa tabella ColorChecker, rilevando riflessioni da ciascun riquadro pigmentato con una sorgente D50. Il sensore ha restituito una rappresentazione colore sorprendentemente fedele, con errori ΔE_Lab inferiori rispetto a quelli prodotti da sensori convenzionali. Sono stati inoltre realizzati array 8×8×3 e 64×64×3 di pixel, simulando performance equivalenti ai CFA e ai Foveon. I sensori a perovskite si sono distinti per:
- Miglior risoluzione
- Assenza di artefatti
- Miglior resa cromatica nella gamma visibile
Sfide e prospettive future
Sebbene promettente, la tecnologia richiede miglioramenti in:
- Tecniche di fabbricazione monolitica per l’integrazione CMOS o TFT.
- Riduzione del rumore nei dispositivi multilivello.
- Processi di litografia per perovskiti compatibili con l’industria dei semiconduttori.
Se superate queste sfide, tali sensori potrebbero diventare lo standard di riferimento per fotografia, realtà aumentata e sensori intelligenti.
I sensori a perovskite impilati rappresentano un salto generazionale nella cattura delle immagini. Offrono una fedeltà cromatica quasi perfetta, eliminano sprechi di luce e artefatti digitali, e promettono applicazioni rivoluzionarie nell’elettronica di consumo e nella visione artificiale. Come notano i commentatori su Nature: “domani le fotocamere potrebbero catturare ogni sfumatura senza rinunciare a un solo fotone”.
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