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Ein sphärischer Kamerasensor
Heutige Digitalkameras sind bemerkenswerte Geräte, aber selbst den fortschrittlichsten Kameras fehlt die Einfachheit und Qualität des menschlichen Auges. Jetzt haben Forscher der University of Illinois in Urbana-Champaign eine sphärische Kamera gebaut, die der Form und Funktion eines menschlichen Auges folgt, indem sie einen Schaltkreis auf einer gekrümmten Oberfläche aufbaut.
Die Augen haben es: Diese Kamera besteht aus einer halbkugelförmigen Anordnung von Fotodetektoren (weißes Quadrat mit goldfarbenen Punkten) und einer einzelnen Linse auf einer transparenten Kugel. Die gebogene Form des Photodetektor-Arrays bietet ein breites Sichtfeld und qualitativ hochwertige Bilder in einem kompakten Gehäuse.
Der gekrümmte Sensor hat Eigenschaften, die man in Augen findet, wie zum Beispiel ein weites Sichtfeld, das in Digitalkameras nicht ohne viel Aufwand hergestellt werden kann, sagt John Rogers , leitender Forscher des Projekts. Eines der herausragendsten [Merkmale des menschlichen Auges] ist, dass die Detektoroberfläche der Netzhaut nicht eben ist wie der digitale Chip in einer Kamera, sagt er. Dies hat zur Folge, dass die Optik auch mit einfachen Abbildungselementen, wie der Einzellinse der Hornhaut, gut geeignet ist, qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen.
Elektronische Geräte sind größtenteils auf starren, flachen Chips aufgebaut. Aber in den letzten zehn Jahren sind Ingenieure über steife Chips hinausgegangen und haben Schaltungen auf biegsamen Platten gebaut. In jüngerer Zeit sind Forscher einen Schritt über die einfache biegsame Elektronik hinausgegangen und haben hochwertige Siliziumschaltungen auf dehnbare, gummiartige Oberflächen aufgebracht. Der Vorteil einer dehnbaren Schaltung besteht laut Rogers darin, dass sie sich über kurvige Oberflächen anpassen kann, während biegsame Geräte dies nicht können.
Der Schlüssel zur sphärischen Kamera ist ein Sensor-Array, das einer Krümmung von etwa 50 Prozent seiner ursprünglichen Form standhält, ohne zu brechen, so dass es von dem steifen Wafer, auf dem es ursprünglich hergestellt wurde, entfernt und auf eine gummiartige Oberfläche übertragen werden kann. Dazu bedarf es mehr, als nur den Detektor flexibel zu machen, sagt Rogers. Sie können eine Kugel nicht einfach mit einem Blatt Papier umwickeln. Sie benötigen Dehnbarkeit, um eine Geometrietransformation durchzuführen.
Das Array, das aus einer Ansammlung winziger Quadrate von Silizium-Photodetektoren besteht, die durch dünne Polymer- und Metallbänder verbunden sind, wird zunächst auf einem Siliziumwafer hergestellt. Anschließend wird es mit einem chemischen Verfahren vom Wafer abgelöst und auf ein Stück gummiartiges Material übertragen, das zuvor zu einer Halbkugel geformt wurde. Beim Transfer wird die Gummihalbkugel flach ausgestreckt. Sobald das Array erfolgreich am Gummi befestigt wurde, wird die Halbkugel in ihre natürliche gebogene Form entspannt.
Da die Bänder, die die winzigen Siliziuminseln verbinden, so dünn sind, können sie sich leicht biegen, ohne zu brechen, sagt Rogers. Wenn zwei der Silikonquadrate enger zusammengedrückt werden, knicken die Bänder und bilden eine Brücke. Sie können Belastungen aufnehmen, ohne das Silikon zu dehnen, sagt er.
Um die Kamera zu vervollständigen, wird das Sensorarray mit einer Leiterplatte verbunden, die mit einem Computer verbunden ist, der die Kamera steuert. Das Array ist mit einer kugelförmigen Abdeckung versehen, die mit einer Linse ausgestattet ist. In diesem Aufbau ahmt das Sensorarray die Netzhaut eines menschlichen Auges nach, während die Linse die Hornhaut nachahmt.
Dehnbares Netz: Die quadratischen Silizium-Photodetektoren, verbunden durch dünne Metall- und Polymerbänder, sind auf einer halbkugelförmigen Gummioberfläche montiert. Das gesamte Gerät kann sich aufgrund der Flexibilität der Bänder, die die Siliziuminseln verbinden, jeder krummlinigen Form anpassen.
Diese Technologie läutet das Aufkommen einer neuen Klasse von Bildgebungsgeräten mit Weitwinkel-Sichtfeldern, geringer Verzerrung und kompakter Größe ein, sagt Takao Someya , Professor für Ingenieurwissenschaften an der Universität Tokio, der nicht an der Forschung beteiligt war. Ich glaube, diese Arbeit ist ein echter Durchbruch auf dem Gebiet der dehnbaren Elektronik.
Rogers ist nicht der erste, der das Konzept eines dehnbaren elektronischen Netzes verwendet, aber diese Arbeit zeichnet sich dadurch aus, dass es sich nicht wie andere dehnbare elektronische Netze auf eine Dehnung in begrenzten Richtungen beschränkt. Und vor allem ist es das erste dehnbare Netz, das in einer künstlichen Augenkamera implementiert wird.
Die Auflösung der Kamera beträgt 256 Pixel. Derzeit sei es aufgrund der Beschränkungen der Fertigungseinrichtungen an der University of Illinois schwierig, die Auflösung zu verbessern, sagt Rogers. Auf einer gewissen Ebene ist es ein wenig frustrierend, weil man dieses nette elektronische Auge hat und alles verpixelt ist, sagt er. Aber sein Team hat das Problem umgangen, indem es ein weiteres Stichwort aus der Biologie genommen hat. Das menschliche Auge schwankt von einer Seite zur anderen und nimmt ständig Bildschnipsel auf; das Gehirn fügt die Schnipsel zu einem vollständigen Bild zusammen. Auf die gleiche Weise betreibt Rogers 'Team ein Computerprogramm, das die Bilder schärfer macht, indem mehrere Bilder aus verschiedenen Blickwinkeln interpoliert werden.
Die unmittelbarste Anwendung für diese Augapfelkameras, sagt Rogers, liegt höchstwahrscheinlich beim Militär. Das einfache, kompakte Design könnte in der Bildgebungstechnik im Feld eingesetzt werden, schlägt er vor. Und während das Konzept eines elektronischen Auges Bilder von Augenimplantaten heraufbeschwört, arbeitet Rogers derzeit nicht mit anderen Forschern zusammen, um diese Geräte biokompatibel zu machen. Er schließt die Möglichkeit für die Zukunft jedoch nicht aus.