Активный пиксель КМОП Фотодиоды, преобразующие свет в электрический ток, лежат в основе и фотокамер, и солнечных панелей. Они очень похожи, просто один сохраняет падающую на него энергию, а другой – записывает, сколько её упало. Поэтому инженеры уже много лет пытаются объединить возможности панелей и фотокамер, создав матрицы, которые могут фотографировать, и при этом сами себя подпитывать (а значит, не требуют подсоединения большой батареи). Есть два подхода к решению этой проблемы. Первый – попробовать сделать матрицу, в которой для съемки и для выработки энергии используется одно и то же пространство. Тогда устройство выйдет небольшим, что плюс. Но минус в том, что его придется переключать между двумя режимами (съемка и запитывание), на что тратится часть энергии, а фотоматрица не может снимать без перерыва, и у неё выходит низкая частота кадров. Второй подход – сделать в фотоматрице две отдельные зоны. Одна из них будет снимать, вторая – генерировать для этого энергию. Они смогут работать одновременно, но существенную часть каждого пикселя в таком случае займет солнечная панель. Фотоэлемент станет более громоздким, а количество света, использующегося для съемки, значительно снизится.

Юй Сик Юн Достижение ученых из Мичиганского университета – их фотосенсор впервые способен одновременно и вырабатывать энергию, и вести съемку (с частотой до 15 кадров/сек). Их работа так и называется – «Simultaneous Imaging and Energy Harvesting in CMOS Image Sensor Pixels» («Одновременная съемка и сбор энергии в активном пикселе КМОП»). Почти вся область пикселя в их фотоэлементе справляется сразу с двумя задачами. Юй Сик Юн, Санг Юн Пак и их команда заметили, что светочувствительные диоды в фотокамерах на микроскопическом уровне – довольно прозрачные. Значительная часть света проходит сквозь их активные элементы. Так что если расположить «солнечную панель» под такими фотосенсорами, она всё равно будет получать часть энергии. Вот и идея. Новая фотоячейка состоит из двух фотодиодов, расположенных один под другим. Верхний собирает часть дырок (носителей заряда, образованных после того, как фотоны выбили электроны из своих позиций), и таким образом получает сигнал для формирования изображения. А нижний улавливает оставшиеся фотоны, и использует их для выработки энергии. Получается новый тип камеры, микроскопичный и самодостаточный, способный работать в любых условиях, где есть освещение, без остановки и без необходимости в подпитке или замене батарей. Идеальный девайс для шпионов или для правительства, желающего контролировать деятельность своих граждан. Ожидаем всплеск продаж фольги на шапочки. Судя по тестам команды из Мичиганского университета, на верхний диод, формирующий сигнал, приходится 26% общего дырочного тока, а на фотогальваническую ячейку, собирающую энергию – 74%. В других сенсорах эта энергия попросту не используется.

Банкнота слева снята на 7 кадрах в секунду, банкнота справа – на 15 На основе своей разработки инженеры создали прототип фотоматрицы разрешением 100х90 пикселей и активной областью 0,86х0,66 мм. Она может вырабатывать 30 мкВт энергии при освещении 120 килолюксов (яркий солнечный день). При этом на съемку с частотой 15 кадров/сек потребляется только 10 мкВт энергии – хотя изображения, конечно, получаются не самыми четкими. На такой частоте новый сенсор в теории способен непрерывно снимать без подпитки даже при 60 килолюксов (обычное прямое попадание солнца). Создатели фотоматрицы отмечают, что она обладает самой высокой плотностью мощности среди всех существующих. В своей статье для IEEE инженеры отмечают, что их датчик легко мог бы создавать изображения более высокого качества, если его «подточить». Энергопотребление в чипе также не оптимизировано. Потенциально камера сможет работать на более высоких фреймрейтах и при меньшей освещенности.

Юй Сик Юн говорит, что их разработка лучше всего подойдет для интернета вещей. Интеллектуальные датчики являются важными компонентами IoT-платформ, а новые фотосенсоры могут оперировать в наименьшем форм-факторе и без энергозатрат. Правда, также ничто не предотвращает использования камеры для шпионажа или скрытой съемки. Миллиметровый сенсор, фактически, является невидимым, и работает неограниченный срок без нужды в подзарядке. Конечно, в таком случае устройству понадобятся не только фотоэлементы, но и средства для хранения и передачи полученных изображений. Микроскопические версии таких компонентов пока что находятся в разработке.