211service.com
En ögonglobskamera, nu med zoom
Det växande området för töjbar elektronik lovar att förändra vårt sätt att tänka på prylar. Kiselchips, när de väl är begränsade till plana, stela former, kommer att bryta ut ur den plana formen. Ett experimentellt exempel är en kamera, modellerad efter en ögonglob, som har en böjd uppsättning ljussensorer.
I betraktarens öga: Inuti denna experimentella kamera sitter en töjbar sensoruppsättning under en flytande lins. Vatten pumpas in i båda komponenterna för att ändra förstoringen av bilden som tas med kameran.
Nu ger en ny design den här böjda kameran ett lyft: formen på objektivet och dess sensor kan ändras synkront, vilket ger en 3,5x zoom. Detta ger en viktig del av saknad funktionalitet för det ursprungliga kamerakonceptet, säger John Rogers , professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid University of Illinois, Urbana-Champaign. Rogers ledde utvecklingen av enheten. Resultatet är ett komplett kamerasystem, med inställbar lins och inställbar detektor, kapabel att ta bilder, säger han. Rogers och hans medförfattare publicerade detaljer om arbetet på måndagen i Proceedings of the National Academy of Sciences .
En kamera med böjda sensorer - analogt med ögats böjda näthinna - har vissa fördelar jämfört med en med en platt sensor. Dess synfält är bredare, och överlag kan enheten vara enklare och mer kompakt. Möjliga applikationer inkluderar kameror för övervakning, telefoner, endoskopisk bildbehandling eller till och med små videokameror inbäddade i fotbollshjälmar, säger Yonggang Huang , medförfattare och ingenjörsprofessor vid Northwestern University.
Kameran är ungefär lika bred som en nickel och har två huvuddelar, en lins och en sensoruppsättning. Linsen består av ett tunt membran som sträcks över ett genomskinligt glasfönster. Formen på linsen, som motsvarar kamerans brännvidd, ändras när utrymmet mellan glaset och membranet fylls med vatten.
För att kameran ska kunna producera kvalitetsbilder måste dess sensoruppsättning justeras för att matcha objektivet. Därför består detektorn av en 16 x 16 array av ultratunna kiseldioder, sammankopplade med tunna ledningar. Arrayen, ursprungligen tillverkad på ett plant underlag, sitter ovanpå ett töjbart ark och är bunden till en platta med en cirkulär öppning. När vatten pumpas ut ur en kammare under plattan som skapar negativt tryck, dras de töjbara sensorerna ner, vilket ger en konkav form. Modulering av vattentrycket i linsen och under sensorerna gör det möjligt att producera en mängd olika förstoringar.
Data som samlas in av sensormatrisen överförs till en dator, där den används för att skapa en bild. Kameran har ett relativt litet antal pixlar, så systemet använder beräkningstrick för att öka upplösningen. Genom att ta flera bilder från lite olika positioner och använda speciella bildalgoritmer kunde forskarna uppnå en 100-faldig ökning av upplösningen. Samma grundläggande teknik användes för att kompensera för skadade pixlar.
Efter år av teoretisk modellering och bra - inställning de tillverkning och överföra bearbeta , Rogers och hans kollegor har hittat effektiva sätt att få kisel att sträcka sig till en mängd olika former för olika applikationer. Tillvägagångssättet går ut på att ansluta ultratunna öar av kisel med hjälp av exakt mönstrade ledningar på en formbar yta. När en yta sträcks besparas kiselöarna påfrestningen eftersom trådarna låter dem separera, och eftersom de själva är så tunna.
Organiska och tryckta material kan också användas för att göra töjbar elektronik, men de kan inte matcha kisel när det gäller hastighet. Tillämpningar för töjbara kiselkretsar sträcker sig från elektriska sensorer som sitter ovanpå hjärnan till bärbara solceller. Rogers startup MC 10 tillkännagav nyligen ett samarbete med Reebok för att integrera töjbar elektronik i sportkläder för att övervaka en persons prestation under träning eller rehabilitering.
Den nya kameradesignen är en fantastisk demonstration av den tekniska verktygslåda som John Rogers och Yonggang Huang har varit pionjärer genom åren, säger Heiko Jacobs , professor i el- och datorteknik vid University of Minnesota. Rogers och Huang kan integrera högpresterande enheter på töjbara och böjda underlag samtidigt som de bibehåller elektrisk aktivitet, säger han. Det kommer att dramatiskt förändra utseendet på enheter och system som kan ta nya former och former som för några år sedan skulle ha varit omöjliga att bygga.
Den zoombara ögonglobskameran är dock fortfarande i ett tidigt skede. Hydraliken som används är kanske inte den mest praktiska för kommersialisering, säger Huang. I framtiden, säger han, kan denna mekanism ersättas av mikromanöverdon eller andra styrstrategier.
Huang tillägger att framtida versioner kommer att vara mindre och ha fler pixlar än den nuvarande. De kan till och med anta ett system med flera linser som liknar ett insekts öga. Och för kommersialisering kommer forskarna att behöva visa att tillvägagångssättet kan skalas till megapixel-kapabla fotodetektormatriser. Vi tror att det är möjligt, säger Huang, med en del omfattande ingenjörsarbete.