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Eine Augapfel-Kamera, jetzt mit Zoom
Das aufkeimende Feld der dehnbaren Elektronik verspricht, die Art und Weise, wie wir über Gadgets denken, zu verändern. Einmal auf flache, starre Formen beschränkte Siliziumchips brechen aus der ebenen Form aus. Ein experimentelles Beispiel ist eine Kamera, die einem Augapfel nachempfunden ist und über eine gekrümmte Anordnung von Lichtsensoren verfügt.
Auge des Betrachters: In dieser experimentellen Kamera sitzt ein dehnbares Sensorarray unter einer Flüssiglinse. In beide Komponenten wird Wasser gepumpt, um die Vergrößerung des von der Kamera aufgenommenen Bildes zu ändern.
Jetzt gibt ein neues Design dieser gebogenen Kamera einen Schub: Die Form des Objektivs und des Sensors können synchron verändert werden und ermöglichen einen 3,5-fachen Zoom. Dies bietet einen wichtigen Teil der fehlenden Funktionalität für das ursprüngliche Kamerakonzept, sagt John Rogers , Professor für Materialwissenschaften und -technik an der University of Illinois, Urbana-Champaign. Rogers leitete die Entwicklung des Geräts. Das Ergebnis ist ein komplettes Kamerasystem mit abstimmbarem Objektiv und abstimmbarem Detektor, das Bilder aufnehmen kann, sagt er. Rogers und seine Co-Autoren veröffentlichten am Montag Details der Arbeit im Proceedings of the National Academy of Sciences .
Eine Kamera mit gewölbten Sensoren hat – analog zur gewölbten Netzhaut des Auges – gewisse Vorteile gegenüber einer mit flachem Sensor. Sein Sichtfeld ist breiter und insgesamt kann das Gerät einfacher und kompakter sein. Mögliche Anwendungen sind Kameras für die Überwachung, Telefone, endoskopische Bildgebung oder sogar winzige Videokameras, die in Fußballhelme eingebettet sind, sagt Yonggang Huang , Mitautor und Professor für Ingenieurwissenschaften an der Northwestern University.
Die Kamera ist ungefähr so breit wie ein Nickel und besteht aus zwei Hauptteilen, einem Objektiv und einem Sensor-Array. Die Linse besteht aus einer dünnen Membran, die über ein transparentes Glasfenster gespannt ist. Die Form der Linse, die der Brennweite der Kamera entspricht, ändert sich, wenn der Raum zwischen Glas und Membran mit Wasser gefüllt wird.
Damit die Kamera qualitativ hochwertige Bilder erzeugen kann, muss sich ihr Sensor-Array an das Objektiv anpassen. Daher besteht der Detektor aus einem 16 x 16 Array ultradünner Siliziumdioden, die durch dünne Drähte verbunden sind. Das ursprünglich auf einem flachen Substrat hergestellte Array sitzt auf einer dehnbaren Folie und wird auf eine Platte mit einer kreisförmigen Öffnung geklebt. Wenn Wasser aus einer Kammer unter der Platte gepumpt wird, wodurch ein Unterdruck entsteht, werden die dehnbaren Sensoren nach unten gezogen, wodurch eine konkave Form entsteht. Durch die Modulation des Wasserdrucks im Objektiv und unterhalb der Sensoren lassen sich unterschiedliche Vergrößerungen realisieren.
Die vom Sensorarray gesammelten Daten werden an einen Computer übertragen, wo sie zur Erstellung eines Bildes verwendet werden. Die Kamera hat eine relativ kleine Anzahl von Pixeln, daher verwendet das System Computertricks, um die Auflösung zu erhöhen. Durch die Aufnahme mehrerer Bilder aus leicht unterschiedlichen Positionen und den Einsatz spezieller Bildgebungsalgorithmen konnten die Forscher eine 100-fache Auflösungssteigerung erzielen. Dieselbe grundlegende Technik wurde verwendet, um beschädigte Pixel zu kompensieren.
Nach Jahren von theoretisch Modellieren und fein - stimmen das Herstellung und Transfer Prozess , Rogers und seine Kollegen haben effektive Möglichkeiten gefunden, Silikon in eine Vielzahl von Formen für verschiedene Anwendungen zu dehnen. Der Ansatz besteht darin, ultradünne Siliziuminseln mit präzise strukturierten Drähten auf einer anpassungsfähigen Oberfläche zu verbinden. Wird eine Oberfläche gedehnt, bleiben die Siliziuminseln von der Belastung verschont, weil sie sich durch die Drähte trennen lassen und weil sie selbst so dünn sind.
Organische und gedruckte Materialien lassen sich auch für dehnbare Elektronik verwenden, können aber in Bezug auf die Geschwindigkeit nicht mit Silikon mithalten. Die Anwendungen für dehnbare Siliziumschaltungen reichen von elektrischen Sensoren, die auf dem Gehirn sitzen, bis hin zu tragbaren Solarzellen. Rogers’ Startup MC 10 kündigte kürzlich eine Zusammenarbeit mit Reebok an, um dehnbare Elektronik in Sportbekleidung zu integrieren, um die Leistung einer Person während des Trainings oder der Rehabilitation zu überwachen.
Das neue Kameradesign ist eine fantastische Demonstration des technologischen Werkzeugkastens, den John Rogers und Yonggang Huang im Laufe der Jahre entwickelt haben, sagt Heiko Jacobs , Professor für Elektro- und Computertechnik an der University of Minnesota. Rogers und Huang sind in der Lage, Hochleistungsgeräte auf dehnbaren und gebogenen Substraten zu integrieren und gleichzeitig die elektrische Aktivität aufrechtzuerhalten, sagt er. Es wird das Erscheinungsbild von Geräten und Systemen dramatisch verändern, die neue Formen annehmen können, die vor einigen Jahren unmöglich zu bauen gewesen wären.
Die zoombare Augapfelkamera steckt allerdings noch in den Kinderschuhen. Die verwendete Hydraulik ist möglicherweise nicht die praktischste für die Kommerzialisierung, sagt Huang. Künftig könne dieser Mechanismus durch Mikroaktoren oder andere Regelstrategien ersetzt werden.
Huang fügt hinzu, dass zukünftige Versionen kleiner sein werden und mehr Pixel haben werden als die aktuelle. Sie können sogar ein Mehrfachlinsensystem annehmen, das einem Insektenauge ähnelt. Und für die Kommerzialisierung müssen die Forscher zeigen, dass der Ansatz auf Megapixel-fähige Fotodetektor-Arrays skaliert werden kann. Wir halten dies für möglich, sagt Huang, mit erheblicher Ingenieursarbeit.