Видящая ткань строит картинку без классической оптики
В большинстве случаев чтобы получить изображение кроме чувствительного элемента нужен объектив. И в случае если мы желаем незаметно встроить камеру в одежду, нам лишь и остаётся, что уменьшать оптики и размер матрицы. Но американские учёные продемонстрировали, что вероятен прямо противоположный и пара парадоксальный путь: необходимо повысить фотоаппарат до размеров одежды.
Долой сложную оптику — необходимо сделать так, дабы сенсорной совокупностью, принимающей изображение окружающих вещей, стала сама ткань. И никаких тяжёлых и громоздких объективов, фокусировки и никаких линз — такую цель поставили перед собой учёные и блестяще её достигли.
Прообраз совсем фантастической вещицы выстроили сравнительно не так давно Йоэль Финк (Yoel Fink) и члены его исследовательской группы фотонных устройств и волокон (Photonic Bandgap Fibers and Devices Group) Массачусетского технологического университета.
За собственную карьеру Финк взял пара призов и зарегистрировал несколько патент (фото OmniGuide).
Они показали на опыте, что плоский кусок ткани площадью 0,1 квадратных метра способен без всяких оптических приспособлений заметить демонстрируемый ему предмет (изображение смайлика) и передать эти сведенья на компьютер.
Очевидно, секрет новинки — в необыкновенных волокнах ткани, талантливых принимать свет и генерировать электрический сигнал. Но если бы учёные светочувствительные нити, из них оказалась бы эластичная солнечная батарея, а никак не эластичная камера без линз. Соответственно, устройство волокон не такое уж и простое.
Вот как их приобретали. Сперва исследователи создавали заготовку — прозрачный полимерный цилиндр диаметром 25 миллиметров. Цилиндр данный владел слоёной структурой.
Каждое волокно ткани на срезе – как слоёный пирог, в котором на площади в доли миллиметра соседствуют полимеры, металлы и полупроводники (фото Yoel Fink, Fabien Sorin/Photonic Bandgap Fibers and Devices Group/MIT).
В него прятались два концентрических кольца из фоточувствительных материалов (это были тонкие слои из полупроводникового стекла), поделённых изолятором. Кольца эти, со своей стороны, были дополнены железными проводниками, лежащими на протяжении оси цилиндра.
Одна из изюминок лаборатории Финка – пятиметровая башня, предназначенная для вытягивания волокон. Она оснащена кучей запасного оборудования, а также – совокупностью обратной связи на базе лазерных измерителей, разрешающих с высокой точностью осуществлять контроль толщину волокна в автоматическом режиме (фото Photonic Bandgap Fibers and Devices Group/MIT).
Проводков таких было заложено по четыре на любой слой, а всего — восемь. Между ними соответственно образовывались восемь датчиков света, вытянутых на протяжении цилиндра и равномерно размещённых по его окружности.
После этого заготовку нагревали и медлительно, весьма бережно вытягивали , пока диаметр цилиндра не уменьшался до нескольких сотен микрометров (меньше миллиметра). Так получалось долгое волокно, из которого экспериментаторы и сплели кусочек собственной чудо-ткани.
Этот процесс вытягивания схож с тем, что используют при создании простых оптических волокон, но тут нужно было следить, дабы в ходе растяжения сохранялось верно положение фоточувствительных участков и сигнальных проводников.
А это было непросто: отдельные элементы финальной совокупности уменьшались до размеров в 100 нанометров. К тому же учёным требовалось подобрать и для фотослоёв, и для проводников, и для прозрачного изолятора материалы, в достаточной мере размягчающиеся при одной и той же температуре, чтобы при растяжении заготовки не нарушалась целостность конструкции.
Потому, что толщина и оптические свойства полимера всех слоёв таковой нити были совершенно верно известны, ток с внутренних светочувствительных «лент» разрешил учёным определять энергию пойманных фотонов, а отличие в уровне сигнала с внешних проводников, расположенных по окружности, сказала о направлении упавшего на ткань луча.
Ещё одно волокно при большем повышении. Как видно, схема размещения восьми сигнальных проводников варьировалась (кадр с электронного микроскопа) (фото Yoel Fink, Fabien Sorin/Photonic Bandgap Fibers and Devices Group/MIT).
Но одно такое волокно ещё не имело возможности трудиться камерой. Основной создатель этого устройства, участник группы Финка Фабьен Сорен (Fabien Sorin), создал из 72 отрезков таких волокон сетку 36 х 36. Так и оказалась фактически ткань-камера.
Много проводков (протянутых от финиша каждого волокна) были присоединены к усилителю и потом — к компьютеру, взявшему уникальную программу расшифровки сигналов, выдаваемых тканью.
Для съёмки смайлика учёные применяли два раздельных источника монохромного света. Свет с определённой длиной волны порождал в ткани своеобразную картину пространственного распределения электрических сигналов. А потому, что волокна образовывали решётку, программа имела возможность согласно данным двух таких монохромных «кадров» реконструировать чёрно-белое изображение предмета, вид которого был запечатлён тканью.
(Подробности работы камеры возможно отыскать в статье в Nano Letters.)
Опыт со смайликом (иллюстрация Fabien Sorin et.al.).
Примечательно, что Финк и его коллеги ещё в 2006 году проводили опыты со светочувствительными волокнами и экзотическими всенаправленными совокупностями восприятия изображений. Но видящую ткань сами авторы именуют большим шагом вперёд.
«Это первый случай, в то время, когда кто-нибудь продемонстрировал, что одна плоскость из волокон может собирать образы равно как и камера, но без линзы, — заявил Финк. — Эта работа представляет собой новый подход к визуализации и системам видения».
Французский учёный Фабьен Сорен, сейчас трудящийся с Финком в Массачусетском технологическом, побывал и у нас. Некое время он проработал в Санкт-Петербургском национальном политехническом университете а также совершил шесть недель изучений в далёком Ангарске (фото Photonic Bandgap Fibers and Devices Group/MIT).
Предстоящие возможности выглядят ещё фантастичнее. Сорен говорит, что несколько собирается повысить колличество слоёв (и светочувствительных полос) в одного волокна.
Действительно, для этого ещё предстоит узнать, сколько как раз слоёв возможно добавить, избегая недостатков при изготовлении достаточно узкой нити. И не менее важно определить — какова окажется предельная максимальная растягивания длина и скорость заготовки одного волокна? Эти параметры воздействуют на темп производства ткани.
В случае если это удастся, ткань-камеру возможно перевоплотить из чёрно-белой в цветную. И пускай до тех пор пока картина, формируемая таковой совокупностью, не очень чёткая, в будущем и разрешение, и чувствительность возможно будет поднять.
А из этого прямая дорога к видящей форме воинов, передающей на маленький экран перед глазами рядового (либо офицера), к примеру, широкую панораму местности, приобретаемую спиной и плечами конкретно кителя. Второй вариант применения будущей ткани — эластичные складные телескопы и всяческие оптические совокупности для особой съёмки, рассуждают исследователи.
Их достижение высоко оценил доктор наук из Корнелла Хуан Хинестроза (Juan Hinestroza), сам занимающийся именно совмещением нано- и текстильных разработок (он нам знаком по участию в создании платьев, сражающихся с опасностями города, а ещё по разработке инопланетян-волокон, борющихся с подделками).
Хинестроза отмечает, что по подобному принципу в ткань возможно встроить сенсоры температуры, перемещения либо наличия определённых газов, дополнив тем самым возможности не только полевой формы, но и открыв целое направление в интегрированных и комбинированных устройствах. И, что принципиально важно, таким расширением разработки собственных «умных» волокон несколько Финка уже занимается.
Несомненными преимуществами новой техники восприятия изображений являются не только простота и лёгкость детектора, но и его высокая стойкость к повреждениям либо частичному перекрытию поля зрения.
В отличие от классической совокупности с крошечной матрицей и объективом видящая ткань способна передавать картину кроме того при разрыве части волокон либо в ситуации, в то время, когда фрагмент поверхности перекрыт какой-либо помехой (либо легко заляпан грязью).
И чем больший размер будет у таковой ткани — тем лучше. Тогда как рост размера фото- либо камеры классической конструкции ставит крест на незаметности и мобильности устройства.
Примечательно, что подобная разработка производства оптических волокон со сложной внутренней структурой (в частности, с несколькими сверхтонкими слоями из материалов с различными оптическими особенностями, окружающими пустотелую сердцевину) разрешила некогда Финку и его последователям создать эластичный оптоволоконный скальпель на базе недорогого и замечательного углекислотного лазера (его излучение к тому же отлично поглощается живыми тканями в силу своеобразной частоты).
С хорошим монолитным оптоволокном, применяющим эффект полного внутреннего отражения, не получалось совершить к месту операции луч достаточной мощности. Или волокно получалось толстым и практически не гнулось, или узкое волокно от потока излучения.
А ведь необходимо было ещё сделать пятно от лазера достаточно мелким и обеспечить свободу перемещений рук врача. Волокно же, придуманное Финком (оно стало называться BeamPath), с пустотой в центре и покрывающим её стены изнутри «совершенным зеркальным слоем», разрешило провернуть таковой трюк.
В 2003-м была создана компания OmniGuide (Финк стал её исполнительным директором), которая занялась поставкой на рынок таких необыкновенных скальпелей. А сейчас с их помощью выполнено более 8 тысяч операций.
Лазерный скальпель от OmniGuide отыскал «поклонников» среди экспертов по гастроэнтерологии, онкологии, ряда и гинекологии вторых разделов медицины (фото OmniGuide).
Пару дней назад же показались результаты предклинических тестов нейрохирургического варианта лазера OmniGuide BeamPath, показывающие, что совокупность разрешает медикам функционировать с минимальным повреждением и высокой точностью соседних тканей.
Опыт OmniGuide говорит о том, что идеи, появившиеся в научной группе Йоэля, в полной мере способны преобразовываться в коммерческий продукт. Так что имеется надежда и на появление через пара лет серийных курток-фотокамер либо подобных рубах да платьев.
