تقریباً تمام حسگرهای دستگاه‌های عکاسی دیجیتال، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا دوربین‌های دیجیتال، برای تفکیک نور ورودی به رنگ‌های قرمز، سبز و آبی، از فیلترهای رنگی استفاده می‌کنند. با این حال، در این فرایند بخش قابل‌توجهی از نور از دست می‌رود. در محیط‌های کم‌نور، این مسئله باعث افزایش نویز تصاویر، طولانی‌تر شدن زمان نوردهی و
تقریباً تمام حسگرهای دستگاه‌های عکاسی دیجیتال، از گوشی‌های هوشمند گرفته تا دوربین‌های دیجیتال، برای تفکیک نور ورودی به رنگ‌های قرمز، سبز و آبی، از فیلترهای رنگی استفاده می‌کنند.
با این حال، در این فرایند بخش قابل‌توجهی از نور از دست می‌رود. در محیط‌های کم‌نور، این مسئله باعث افزایش نویز تصاویر، طولانی‌تر شدن زمان نوردهی و تشدید تاری ناشی از حرکت می‌شود. رایج‌ترین ساختار مورد استفاده، یعنی آرایه فیلتر بایر، تنها حدود یک‌سوم نور تابیده‌شده را از خود عبور می‌دهد.
گروهی از پژوهشگران سنگاپور، چین و ژاپن موفق به ساخت مسیریاب رنگی شده‌اند که می‌تواند مشکل اتلاف نور را برطرف کند. این فناوری به‌جای حذف رنگ‌ها و جذب بخشی از نور، آن را به سمت بخش‌هایی هدایت می‌کند که قابلیت ثبت آن را دارند.
جوئل یانگ، استاد دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور و سرپرست این پژوهش، گفت:
فیلتر بایر رنگ‌ها را با عبور دادن یک رنگ و جذب رنگ‌های دیگر از هم جدا می‌کند. اما مسیریاب رنگی، هر رنگ را به سمت ناحیه حسگر متناظر با آن هدایت می‌کند و به این ترتیب امکان استفاده از سه برابر نور ورودی را فراهم می‌آورد.
پژوهشگران نتایج این تحقیق را در مقاله‌ای با عنوان مسیریاب‌های رنگی طراحی‌شده با چاپ سه‌بعدی و ضریب شکست پایین برای تصویربرداری در نور کم در نشریه نیچر کامیونیکیشنز منتشر کردند.
چهار ستون برای هدایت سه رنگ
نسل‌های قبلی مسیریاب‌های رنگی به موادی با ضریب شکست بالا، مانند دی‌اکسید تیتانیوم یا نیترید گالیم، متکی بودند. این مواد نور را به‌شدت منحرف می‌کنند، اما ساخت تجهیزات مبتنی بر آن‌ها به فرایندهای تولید چندمرحله‌ای و بسیار دقیق نیاز دارد. گروه پژوهشی در رویکردی متفاوت، سراغ مواد دارای ضریب شکست پایین، از جمله پلیمرها و شیشه‌های معمولی رفت.
پان چنگ‌فنگ، نویسنده اصلی مقاله و دانشجوی دکتری دانشگاه فناوری و طراحی سنگاپور، گفت:
با تکیه بر تجربه‌ای که در زمینه ساخت تجهیزات اپتیکی پلیمری با چاپ سه‌بعدی به دست آورده بودیم، می‌خواستیم بررسی کنیم که آیا می‌توان با بهینه‌سازی دقیق هندسه ساختار، این محدودیت را برطرف کرد یا خیر.
راهکار پژوهشگران به‌جای تغییر ترکیب شیمیایی مواد، بر طراحی هندسی متمرکز بود. هر سلول واحد در مسیریاب رنگی آن‌ها از چهار نانوستون استوانه‌ای تشکیل شده که ارتفاع و عرض آن‌ها با استفاده از روش پلیمریزاسیون دوم‌فوتونی و با دقت بالا تنظیم شده است. این فناوری چاپ سه‌بعدی می‌تواند ساختارهایی با ابعاد بسیار کوچک، حتی در حدود ۱۵۰ نانومتر، تولید کند.
این ستون‌ها به‌تنهایی مانند فیلترهای مجزای رنگی عمل نمی‌کنند. در عوض، نور پراکنده‌شده از هر چهار ستون با یکدیگر تداخل پیدا می‌کند و در نتیجه، طول موج‌های قرمز، سبز و آبی به سمت نقاط مشخص و از پیش تعیین‌شده هدایت می‌شوند.
پان درباره نحوه عملکرد این ساختار گفت:
این چهار ستون در کنار یکدیگر مانند یک سامانه اپتیکی هماهنگ عمل می‌کنند. ستونی که زیر ناحیه حسگر قرمز قرار گرفته، صرفاً یک ستون مستقل برای رنگ قرمز نیست. در طراحی ما، هدایت صحیح رنگ‌ها از عملکرد جمعی کل آرایش ستون‌ها به وجود می‌آید.
برای یافتن بهترین ترکیب از ارتفاع و شعاع ستون‌ها، تیم پژوهشی از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات استفاده کرد. این الگوریتم، طرح‌های هندسی مختلف را در شبیه‌سازی آزمایش می‌کند و با توجه به عملکرد ضعیف‌ترین کانال رنگی، آن‌ها را بهبود می‌دهد. به این ترتیب، رنگ‌های قرمز، سبز و آبی می‌توانند به‌طور هم‌زمان و با بازده بالا هدایت شوند، بدون آنکه بهینه‌سازی فقط بر یک رنگ متمرکز بماند.
نور بیشتر و زمان نوردهی کوتاه‌تر
نتایج شبیه‌سازی نشان داد که بازده هدایت نور در طراحی جدید، در سراسر طیف مرئی به حدود ۹۰ درصد می‌رسد؛ رقمی بسیار بالاتر از بازده معمول فیلترهای بایر تجاری که بین ۲۰ تا ۳۵ درصد قرار دارد.
در نمونه‌های واقعی که با آرایه‌هایی شامل ۲۵۰ هزار سلول واحد در سطحی به ابعاد یک میلی‌متر مربع ساخته شدند، بازده حدود ۷۰ درصد به دست آمد. پژوهشگران افت عملکرد نسبت به نتایج شبیه‌سازی را به انحراف‌های ایجادشده در فرایند ساخت نسبت دادند، نه محدودیت‌های بنیادی این فناوری.
آزمایش‌های تصویربرداری با استفاده از یک حسگر تک‌رنگ نیز مزیت عملی این روش را تأیید کردند. تصاویر ثبت‌شده با مسیریاب رنگی، دقت رنگی بهتری داشتند و برای ثبت آن‌ها تنها به یک‌سوم زمان نوردهی موردنیاز در حسگرهای معمولی مبتنی بر فیلتر رنگی نیاز بود.