Взяв реплики матери-природы, камеры используют большие массивы крошечных фокусирующих линз и миниатюрных детекторов в полусферической компоновке, точно так же, как глаза у членистоногих. Эти устройства сочетают в себе мягкую резиновую оптику с высокопроизводительной кремниевой электроникой и детекторами, используя идеи, впервые реализованные в исследованиях систем мониторинга кожи и мозга Джоном А. Роджерс, профессор кафедры Свонлунда в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, и его сотрудники.
«Полное поле обзора на 180 градусов с нулевыми аберрациями может быть достигнуто только с помощью датчиков изображения, которые имеют полусферическую компоновку, что сильно отличается от планарных ПЗС-чипов, используемых в коммерческих камерах», – пояснил Роджерс. «При реализации с микролинзами больших матриц, каждая из которых соединяется с отдельным фотодиодом, этот тип полусферической конструкции обеспечивает непревзойденное поле зрения и другие мощные возможности при формировании изображений.
Природа разработала и уточнила эти концепции в течение миллиардов лет эволюции.«Исследователи описали свою революционную камеру в статье« Цифровые камеры с дизайном, вдохновленным глазом членистоногих », опубликованной в выпуске журнала Nature от 2 мая 2013 года.
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.
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 камер глаза нашей мухи является то, что они включают в себя встроенные микролинзы, фотодетекторы и электронику на изогнутых поверхностях», – 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."
Производство начинается с электроники, детекторов и массивов линз, сформированных на плоских поверхностях с использованием передовых технологий, адаптированных из полупроводниковой промышленности, сказал Сяо, который начал работать над проектом в качестве постдокторского исследователя в лаборатории Роджерса в Иллинойсе. 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.
За последние несколько лет Роджерс и его коллеги разработали материалы, принципы механики и производственные процессы, которые позволили классам электроники сгибаться, скручиваться и растягиваться, как резиновая лента. Эта технология устройства использовалась в самых разных областях, от фотоэлектрических до мониторов здоровья и благополучия, до современных хирургических инструментов и цифровых камер с дизайном глаза млекопитающих.
«Некоторые полезные идеи основаны на концепциях, которые возникли в наших лабораториях полдюжины лет назад», – отметил Роджерс. "С тех пор мы были заинтригованы возможностью создания цифровых фотоаппаратов для глаз мухи. Такие устройства давно представляют интерес не только для нас, но и для многих других из-за их потенциала для использования в устройствах наблюдения, инструментах для эндоскопии и других приложениях, где эти конструкции, вдохновленные насекомыми, обеспечивают уникальные возможности."
Другими соавторами статьи являются Ён Мин Сон, Ичжу Се и Виктор Малярчук из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн.
Соавторы: Ки-Джунг Чой, Рак-Хван Ким и Джон Роджерс из Иллинойса; Инхва Джунг из Университета Кён Хи в Корее; Чжуанцзянь Лю из Института высокопроизводительных вычислений A * star в Сингапуре; Чаофэн Лу из Чжэцзянского университета в Китае и Северо-Западного университета; Руи Ли из Даляньского технологического университета в Китае; Кеннет Крозье из Гарвардского университета; и Юнган Хуанг из Северо-Западного.
Исследование финансировалось Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов и Национальным научным фондом.