Люди делают снимки, используя две линзы наших относительно плоских глаз, в то время как лучшая зеркальная камера имеет только одну плоскую линзу. Новая камера – закругленный полувузырьк, похожий на выпуклый глаз мухи – имеет 180 микролинз, установленных на ней, что позволяет ей делать снимки под углом почти 180 градусов. Только камера в форме глаза жука может это сделать.
Благодаря этому широкоугольному полю зрения новую технологию можно будет использовать в будущих устройствах наблюдения или для визуализации при эндоскопических процедурах. Исследователи говорят, что было бы достаточно просто объединить два полушария, которые они продемонстрировали, чтобы получить обзор на 360 градусов.
Подробная информация о био-вдохновленной камере, для которой потребовались специалисты в области оптики, электроники, производства, моделирования и теории дизайна, будет опубликована в номере журнала Nature от 2 мая.
«В некотором смысле, у нас есть много маленьких глазков на одном большом», – сказал Юнган Хуанг из Northwestern, старший автор статьи. «Каждый маленький глаз, состоящий из микролинзы и микромасштабного фотодетектора, представляет собой отдельную систему визуализации, но когда все они сняты вместе, камера может сделать четкий снимок, всего одним щелчком, почти на 180 градусов.
«Интерфейс различных областей рождает новые интересные устройства, которых раньше не было», – сказал он. Хуанг – профессор Джозефа Каммингса по гражданской и экологической инженерии и машиностроению в Школе инженерии и прикладных наук Маккормика.
Лаборатория Хуанга отвечала за теорию моделирования и проектирования для проекта, на завершение которого у всей команды ушло три года.
Цифровая камера – это последняя разработка в долгом и плодотворном сотрудничестве двух инженеров – Хуанга и Джона А. Роджерс из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, который разработал эластичную электронику и различные устройства, использующие эту технологию, в том числе более раннюю цифровую камеру, современные хирургические инструменты и мониторы здоровья / благополучия.
Их электроника, которая может сгибаться, скручиваться и растягиваться, не ломаясь, хорошо справилась с задачей разработки полусферической камеры.
«Полные 180-градусные поля зрения с нулевыми аберрациями могут быть достигнуты только с помощью датчиков изображения, которые имеют полусферическую компоновку, что сильно отличается от планарных ПЗС-чипов, используемых в коммерческих камерах», – сказал Роджерс, профессор кафедры Сванлунда, о новой камере.
«При реализации с большими массивами микролинз, каждая из которых соединяется с отдельным фотодиодом, этот тип полусферической конструкции обеспечивает непревзойденное поле зрения и другие мощные возможности при формировании изображений», – сказал он. "Природа разработала и уточнила эти концепции в течение миллиардов лет эволюции."
Глаза у членистоногих имеют сложный дизайн, в котором множество меньших глаз действуют вместе, обеспечивая восприятие изображения. Каждый маленький глаз, известный как омматидий, состоит из роговичной линзы, кристаллического конуса и светочувствительного органа у основания.
Вся система сконфигурирована для обеспечения исключительных качеств изображения, многие из которых находятся за пределами досягаемости существующих искусственных камер.
180 микролинз камеры Роджера и Хуанга сопоставимы с глазом огненных муравьев и короедов, но меньше, чем глаз мухи, у которого есть тысячи маленьких глаз.
«Существующая технология визуализации камеры плоская, и мы сделали систему криволинейной», – сказал Хуанг. "Сделать растягиваемый массив фотоприемников было несложно – вот что мы делаем. Сложнее всего было изготовить полусферическую линзу.
Нам нужно было убедиться, что линза как можно меньше деформируется при растяжении."
Исследователи разработали новые идеи в материалах и стратегиях изготовления, позволяющих создавать искусственные омматидии в больших взаимосвязанных массивах в полусферических схемах. Создание таких систем представляет собой непростую задачу, поскольку все известные технологии камер основаны на объемных стеклянных линзах и детекторах, построенных на плоских поверхностях кремниевых пластин, которые нельзя сгибать или сгибать, не говоря уже о придании им полусферической формы.
«Важнейшей особенностью наших камер« летающий глаз »является то, что они включают в себя встроенные микролинзы, фотодетекторы и электронику на изогнутых поверхностях полусферы», – сказал Цзянлян Сяо, доцент кафедры машиностроения в Университете Колорадо в Боулдере и соавтор исследования. «Чтобы реализовать этот результат, мы использовали мягкую резиновую оптику, прикрепленную к детекторам / электронике в виде сеток, которые можно растягивать и деформировать, обратимо и без повреждений."
Сяо – бывший докторант Хуана в Северо-Западном университете, который затем работал научным сотрудником в лаборатории Роджерса в Иллинойсе.
Производство начинается с электроники, детекторов и массивов линз, сформированных на плоских поверхностях с использованием передовых технологий, адаптированных из полупроводниковой промышленности, сказал Сяо. Лист линзы, сделанный из полимерного материала, похожего на контактную линзу, и электроника / детекторы затем выравниваются и склеиваются вместе. Пневматическое давление деформирует получившуюся систему в желаемую полусферическую форму, что очень похоже на надувание воздушного шара, но с точным инженерным контролем.
Отдельные электронные детекторы и микролинзы соединены вместе, чтобы избежать любого относительного движения во время этого процесса деформации.
Здесь промежутки между этими искусственными омматидиями могут растягиваться, что позволяет трансформировать геометрию от плоской к полусферической. Электрические соединения тонкие и узкие, имеют нитевидную змеевидную форму; они деформируются как крошечные пружины в процессе растяжения.
По словам исследователей, каждая микролинза дает небольшое изображение объекта, форма которого определяется параметрами линзы и углом обзора.
Отдельный детектор срабатывает только в том случае, если часть изображения, сформированного соответствующей микролинзой, перекрывает активную область. Стимулируемые таким образом детекторы создают дискретизированное изображение объекта, которое затем может быть реконструировано с использованием моделей оптики.