Chip hồng ngoại của MIT điều khiển ánh sáng theo từng điểm ảnh

Chip điều khiển ánh sáng hồng ngoại bằng tín hiệu điện tử, loại bỏ nhu cầu sử dụng bộ phận cơ khí chuyển động. Ảnh: Getty Images

Các nhà khoa học tại Viện Công nghệ Massachusetts vừa chế tạo một chip hồng ngoại mới, có thể thay đổi cách camera thu nhận ánh sáng hồng ngoại mà không cần đến bộ phận cơ khí chuyển động, theo công bố trên tạp chí Nature Communications. Nhóm nghiên cứu xây dựng thiết bị này ngay trên chip bán dẫn, giúp nó hoạt động như một thấu kính hồng ngoại lập trình được, khác hẳn các hệ thống hồng ngoại thông thường vốn phải dựa vào cơ cấu cơ khí cồng kềnh mỗi khi cần thay đổi tiêu cự.

Điểm khác biệt cốt lõi nằm ở cách chip kiểm soát ánh sáng bằng tín hiệu điện tử ngay tại từng điểm ảnh siêu nhỏ, thay vì di chuyển thấu kính vật lý như trước. Mỗi điểm ảnh trên chip tự thay đổi cách tương tác với ánh sáng hồng ngoại trung bình chiếu tới, nhờ đó toàn bộ thấu kính điều chỉnh được đặc tính quang học theo thời gian thực, giúp camera thu thập nhiều loại thông tin khác nhau từ cùng một khung cảnh.

Nhóm nghiên cứu chế tạo thành công nguyên mẫu ở quy mô phòng thí nghiệm bằng chính quy trình sản xuất bán dẫn phổ biến hiện nay. Việc tận dụng quy trình sản xuất sẵn có, theo nhận định của nhóm nghiên cứu, mở ra khả năng sản xuất chip hồng ngoại này ở quy mô công nghiệp trong tương lai, tuy đây vẫn là dự đoán ban đầu mà nhóm nghiên cứu chưa kiểm chứng trên dây chuyền sản xuất thực tế.

Bí quyết kiểm soát ánh sáng theo từng điểm ảnh

Hệ thống kết hợp vật liệu chuyển pha với mạng lưới dây đồng bố trí kiểu bắt chéo, cấu trúc quen thuộc trong công nghệ màn hình hiển thị. Lớp silicon pha tạp sinh nhiệt ngay tại giao điểm của các dây dẫn, làm chuyển đổi từng vùng cực nhỏ của vật liệu giữa trạng thái tinh thể và trạng thái vô định hình, qua đó thay đổi cách mỗi điểm ảnh xử lý ánh sáng hồng ngoại.

Các bề mặt điện từ lập trình được trước đây thường chỉ điều khiển toàn bộ thấu kính cùng lúc, hoặc đòi hỏi hệ thống dây dẫn phức tạp cho từng điểm ảnh riêng lẻ, khiến việc mở rộng quy mô gặp nhiều khó khăn. Kiến trúc dạng lưới bắt chéo mà nhóm MIT áp dụng giải quyết được vướng mắc này, cho phép kiểm soát từng điểm ảnh theo hai chiều trong khi vẫn hạn chế nhiễu điện không mong muốn.

Giáo sư Juejun Hu, người giữ danh hiệu John F. Elliott về khoa học và kỹ thuật vật liệu tại MIT, cho biết nhóm nghiên cứu thực hiện các phép tính và nhận thấy kiến trúc này có thể mở rộng tới hàng triệu điểm ảnh mà không gặp vấn đề về dòng điện ngoài ý muốn. Theo ông Hu, điểm mấu chốt nằm ở chính kiến trúc lưới bắt chéo, vốn mở rộng khả năng chuyển đổi trạng thái ở cấp độ từng điểm ảnh của bề mặt điện từ. Ông nói thêm rằng ngành công nghệ màn hình vốn sử dụng kiến trúc này từ trước, nhóm của ông không phát minh ra nó, nhưng đây là lần đầu tiên có người áp dụng kiến trúc này cho bề mặt điện từ chuyển pha chủ động, qua đó chứng minh khả năng kiểm soát ở cấp độ từng điểm ảnh.

Nhóm nghiên cứu chế tạo một mảng điểm ảnh kích thước 6 nhân 6 và ghi nhận khả năng chuyển đổi qua lại giữa hai trạng thái nhiều lần mà không làm mất chức năng của thiết bị.

Hướng tới camera thông minh và cảm biến khí thế hệ mới

Nhóm nghiên cứu cho rằng công nghệ này có thể phục vụ nhiều lĩnh vực khác nhau, từ giám sát môi trường cho đến ứng dụng quốc phòng. Ánh sáng hồng ngoại trung bình đặc biệt hữu ích trong lĩnh vực này vì phần lớn khí và phân tử hữu cơ hấp thụ ánh sáng ở dải bước sóng đó, giúp phát hiện các hợp chất như khí methane và propane.

Cosmin-Constantin Popescu, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết công nghệ này có thể mang lại nhiều dữ liệu hơn khi nghiên cứu vũ trụ, đồng thời hỗ trợ công tác bảo vệ môi trường trong những trường hợp cần theo dõi các hợp chất cụ thể trong khí quyển. Ông Popescu cũng nhắc tới khả năng chụp ảnh nhiệt như một ứng dụng khác của chip, và liên hệ tới ứng dụng quân sự, giống như cách quân đội hiện dùng kính nhìn đêm.

Nhóm nghiên cứu tin rằng bề mặt điện từ lập trình được có thể tiến xa hơn, hỗ trợ lĩnh vực tính toán quang học, nơi ánh sáng đảm nhận vai trò thực hiện phép tính thay cho mạch điện tử thông thường. Theo ông Hu, nhóm nghiên cứu có thể lập trình các phiên bản chip hồng ngoại trong tương lai để làm nổi bật những vật thể hoặc mẫu hình cụ thể trong hình ảnh, tùy theo mục tiêu quan sát của người dùng. Đây là định hướng do nhóm nghiên cứu đề xuất, hiện nhóm chưa công bố mốc thời gian hay sản phẩm cụ thể nào.

Nhóm nghiên cứu hiện tập trung tăng số lượng điểm ảnh trên chip và cải thiện độ bền của thiết bị, nhằm thu được thông tin hồng ngoại chi tiết hơn trong khi vẫn giữ khả năng tương thích với quy trình sản xuất bán dẫn hiện có. Tạp chí Nature Communications đã công bố nghiên cứu về chip hồng ngoại này.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng