ลองจินตนาการถึงกล้องบันทึกภาพดิจิทัลที่ไม่ต้องใช้แบตเตอรี่ แต่อาศัยพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากการเปลี่ยนพลังงานแสงที่ส่องกระทบตัวมัน ไอเดียที่หลายคนน่าจะนึกถึงคือการติดแผงโซลาร์เซลล์ลงบนพื้นผิวของกล้องให้ทั่ว แต่งานวิจัยใหม่ด้านเซ็นเซอร์รับภาพที่สร้างพลังงานไฟฟ้าเลี้ยงตัวเองได้ กำลังจะเพิ่มทางเลือกใหม่ให้กับแนวคิดกล้องไม่ง้อแบตเตอรี่นี้

หากพูดถึงเซ็นเซอร์รับภาพ กล่าวโดยกว้างๆ แล้วการทำงานของมันก็คือรับแสงที่ตกกระทบมันแล้วเปลี่ยนเป็นสัญญาณไฟฟ้า แม้ในรายละเอียดจะต่างกันอยู่มาก แต่ก็ต้องถือว่านี่คือเรื่องเดียวกันกับการทำงานของโซลาร์เซลล์ จึงไม่น่าแปลกใจที่นักวิจัยจาก University of Michigan จะคิดทำเซ็นเซอร์รับภาพที่อาศัยพลังงานไฟฟ้าที่ได้จากการเปลี่ยนรูปพลังงานแสงที่ตกกระทบบนตัวมันเอง

การทำงานของทีมวิจัยไม่ใช่การเติมวัสดุ photovoltaic (ซึ่งมีความสามารถในการเปลี่ยนพลังงานแสงให้เป็นพลังงานไฟฟ้า) ลงในไปพื้นที่ว่างระหว่างเซ็นเซอร์รับภาพ เพราะแนวทางนี้จะทำให้ภาพที่เซ็นเซอร์รับได้มืดเกินไป เพราะพื้นที่รับแสงเพื่อแปลงเป็นข้อมูลภาพต้องสูญเสียไปให้กับวัสดุ photovoltaic ที่ทำหน้าที่สร้างไฟฟ้าเลี้ยงเซ็นเซอร์ ในขณะที่อีกวิธีการหนึ่งคือควบคุมให้เซลล์รับแสงแต่ละเซลล์เลือกทำหน้าที่เป็น photodetector (เซลล์เพื่อรับภาพ) หรือเป็น photovoltaic (เซลล์เพื่อสร้างพลังงานไฟฟ้า) ก็ไม่ใช่วิธีการที่ดีนักเพราะภาพที่ได้จะหยาบ ทั้งยังมีความยุ่งยากในการทำระบบควบคุมให้แต่ละเซลล์เลือกว่าจะทำหน้าที่อะไรในการทำงานแต่ละช่วงขณะ

สิ่งที่ทีมวิจัยทำ คือการออกแบบโครงสร้างของเซลล์รับภาพปรับเปลี่ยนวงจรไฟฟ้าของเซ็นเซอร์เสียใหม่ ทำให้เมื่อแสงตกกระทบเซ็นเซอร์แล้ว จะยังมีพลังงานของอนุภาคโฟตอน หลงเหลือมาถึงส่วนของเซลล์ photovoltaic และถูกแปลงให้เป็นพลังงานไฟฟ้าเพื่อใช้เลี้ยงเซ็นเซอร์ได้ เรียกว่าเป็นการเก็บเอาพลังงานของอนุภาคแสงมาใช้ประโยชน์แทนที่จะปล่อยทิ้งไปเปล่า

ภาพ (a) คือโครงสร้างเซลล์เซ็นเซอร์บันทึกภาพ CMOS แบบทั่วไป, ภาพ (c) คือโครงสร้างเซลล์ที่นักวิจัยออกแบบใหม่

คำถามสำคัญที่หลายคนอาจสงสัยคือ การที่เซ็นเซอร์รับภาพจะทำงานโดยอาศัยพลังงานไฟฟ้าที่มันสร้างได้เองเพียงเท่านี้ มันจะกลายมาเป็นกล้องบันทึกภาพที่ไม่ต้องง้อแบตเตอรี่ได้อย่างไร เรื่องนี้อาจอ้างอิงจากคำพูดของ Euisik Yoon ศาสตราจารย์วิศวกรรมไฟฟ้าและวิทยาศาสตร์คอมพิวเตอร์หัวหน้าทีมวิจัย Yoon Lab
ผู้พัฒนาเซ็นเซอร์นี้ (และมีงานวิจัยเรื่องเซ็นเซอร์ภาพอีกมาก) ซึ่งระบุว่าพลังงานไฟฟ้าที่เซ็นเซอร์รับภาพสร้างได้นี้ไม่เพียงแต่จะใช้เลี้ยงระบบการรับภาพของตัวมันเองได้เท่านั้น หากติดตั้งหน่วยประมวลผลขนาดเล็กจิ๋วพร้อมด้วยวงจรสื่อสารแบบไร้สาย สิ่งที่ได้ก็คือกล้องบันทึกภาพที่เล็กจนยากจะสังเกตได้ และติดตั้งใช้งานตรงไหนก็ได้ตราบเท่าที่มีแสงตกกระทบมัน

ตัวเซ็นเซอร์มีเซลล์บันทึกภาพกว้าง 5 ไมครอน โดยเซ็นเซอร์ขนาด 1 ตารางมิลลิเมตร จะสามารถสร้างกำลังงานไฟฟ้าได้ 998 พิโกวัตต์ต่อความเข้มแสง 1 ลักซ์ ลองคำนวณดูจะได้ว่าเซ็นเซอร์ขนาดดังกล่าวจะสร้างกำลังงานไฟฟ้าได้ 2-3 ไมโครวัตต์ภายใต้แสงสว่างในพื้นที่ทั่วไปเวลากลางวันซึ่งมีความเข้มแสงราว 20,000-30,000 ลักซ์ เพียงพอที่จะทำการบันทึกภาพ 7.5 เฟรมต่อวินาที ยิ่งถ้าเป็นการใช้งานกลางแดดจ้าที่ความเข้มแสงราว 60,000 ลักซ์ ก็จะบันทึกภาพได้ 15 เฟรมต่อวินาที

ภาพขนาด 100x90 พิกเซล ที่เซ็นเซอร์บันทึกได้ ด้วยความถี่ภาพ 7.5 เฟรมต่อวินาที และ 15 เฟรมต่อวินาที ตามลำดับ

ทีมวิจัยมองเห็นโอกาสในการพัฒนาเซ็นเซอร์รับภาพนี้ได้อีกมาก ในอนาคตเมื่อทำการปรับแต่งค่าการใช้พลังงานให้เหมาะสมได้แล้ว ขั้นต่อไปก็คือทำงานที่เหลือเพื่อให้กล้องบันทึกภาพแบบไม่ง้อแบตเตอรี่ให้สำเร็จกลายเป็นจริง

ที่มา - IEEE Spectrum, เอกสารงานวิจัย