211service.com
Een sferische camerasensor
De digitale camera's van tegenwoordig zijn opmerkelijke apparaten, maar zelfs de meest geavanceerde camera's missen de eenvoud en kwaliteit van het menselijk oog. Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign een bolvormige camera gebouwd die de vorm en functie van een menselijk oog volgt door een circuit op een gebogen oppervlak te bouwen.
De ogen hebben het: Deze camera bestaat uit een halfrondvormige reeks fotodetectoren (wit vierkant met goudkleurige stippen) en een enkele lens bovenop een transparante wereldbol. De gebogen vorm van de fotodetectorarray biedt een breed gezichtsveld en beelden van hoge kwaliteit in een compact pakket.
De gebogen sensor heeft eigenschappen die in ogen voorkomen, zoals een breed gezichtsveld, die niet zonder veel complexiteit in digitale camera's kunnen worden geproduceerd, zegt John Rogers , hoofdonderzoeker van het project. Een van de meest prominente [kenmerken van het menselijk oog] is dat het detectoroppervlak van het netvlies niet vlak is zoals de digitale chip in een camera, zegt hij. Het gevolg daarvan is dat de optica zeer geschikt is om beelden van hoge kwaliteit te vormen, zelfs met eenvoudige beeldelementen, zoals de enkele lens van het hoornvlies.
Elektronische apparaten zijn voor het grootste deel gebouwd op stijve, platte chips. Maar in het afgelopen decennium zijn ingenieurs verder gegaan dan stijve chips en hebben ze circuits gebouwd op buigbare platen. Meer recentelijk zijn onderzoekers een stap verder gegaan dan eenvoudige buigbare elektronica en hebben ze hoogwaardige siliciumcircuits op rekbare, rubberachtige oppervlakken geplaatst. Het voordeel van een rekbaar circuit, zegt Rogers, is dat het zich kan aanpassen aan bochtige oppervlakken, terwijl buigbare apparaten dat niet kunnen.
De sleutel tot de sferische camera is een sensorarray die bestand is tegen een kromming van ongeveer 50 procent van zijn oorspronkelijke vorm zonder te breken, waardoor hij kan worden verwijderd van de stijve wafer waarop hij oorspronkelijk was vervaardigd en overgebracht naar een rubberachtig oppervlak. Daarvoor is meer nodig dan alleen de detector flexibel maken, zegt Rogers. Je kunt een bol niet zomaar omwikkelen met een vel papier. Je hebt rekbaarheid nodig om een geometrietransformatie uit te voeren.
De array, die bestaat uit een verzameling kleine vierkantjes silicium-fotodetectoren, verbonden door dunne linten van polymeer en metaal, wordt aanvankelijk gefabriceerd op een siliciumwafel. Het wordt vervolgens met een chemisch proces van de wafel verwijderd en overgebracht naar een stuk rubberachtig materiaal dat eerder in de vorm van een halve bol was gevormd. Op het moment van overdracht is de rubberen halve bol plat uitgerekt. Zodra de array met succes aan het rubber is gehecht, wordt de halve bol ontspannen in zijn natuurlijke gebogen vorm.
Omdat de linten die de kleine eilanden van silicium met elkaar verbinden zo dun zijn, kunnen ze gemakkelijk buigen zonder te breken, zegt Rogers. Als twee van de siliconen vierkanten dichter bij elkaar worden gedrukt, knikken de linten en vormen ze een brug. Ze kunnen spanning opvangen zonder enige rek in het silicium te veroorzaken, zegt hij.
Om de camera te voltooien, is de sensorarray verbonden met een printplaat die wordt aangesloten op een computer die de camera bestuurt. De array is afgedekt met een bolvormig deksel voorzien van een lens. In deze opstelling bootst de sensorarray het netvlies van een menselijk oog na, terwijl de lens het hoornvlies nabootst.
Rekbaar gaas: De vierkante siliciumfotodetectoren, verbonden door dunne linten van metaal en polymeer, zijn gemonteerd op een halfrondvormig rubberen oppervlak. Het hele apparaat kan zich aan elke kromlijnige vorm aanpassen dankzij de flexibiliteit van de linten die de siliciumeilanden verbinden.
Deze technologie luidt de komst in van een nieuwe klasse van beeldverwerkingsapparatuur met brede gezichtsvelden, lage vervorming en compact formaat, zegt Takao Someya , een professor in de techniek aan de Universiteit van Tokyo, die niet bij het onderzoek betrokken was. Ik geloof dat dit werk een echte doorbraak is op het gebied van rekbare elektronica.
Rogers is niet de eerste die het concept van een rekbaar elektronisch gaas gebruikt, maar dit werk onderscheidt zich doordat het niet beperkt is tot rekken in beperkte richtingen, zoals andere rekbare elektronische gaasjes. En belangrijker nog, hij is het eerste rekbare gaas dat is geïmplementeerd in een kunstmatige oogcamera.
De resolutie van de camera is 256 pixels. Op dit moment is het moeilijk om de resolutie te verbeteren vanwege de beperkingen van de fabricagefaciliteiten aan de Universiteit van Illinois, zegt Rogers. Op een bepaald niveau is het een beetje frustrerend omdat je dit nette elektronische oog hebt en alles korrelig is, zegt hij. Maar zijn team heeft het probleem omzeild door een andere aanwijzing uit de biologie te nemen. Het menselijk oog schudt heen en weer en legt voortdurend fragmenten van afbeeldingen vast; de hersenen delen de fragmenten samen om een compleet beeld te vormen. Op dezelfde manier voert het team van Rogers een computerprogramma uit dat de beelden scherper maakt door meerdere beelden die vanuit verschillende hoeken zijn genomen, te interpoleren.
De meest directe toepassing voor deze oogbolcamera's, zegt Rogers, is waarschijnlijk bij het leger. Het eenvoudige, compacte ontwerp zou kunnen worden gebruikt in beeldtechnologie in het veld, stelt hij voor. En hoewel het concept van een elektronisch oog beelden oproept van oogimplantaten, zegt Rogers dat hij op dit moment niet samenwerkt met andere onderzoekers om deze apparaten biocompatibel te maken. Hij sluit de mogelijkheid in de toekomst echter niet uit.