Видящая ткань строит картинку без классической оптики.

Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
Обычно для получения изображения, помимо чувствительного элемента, нужен объектив. И если мы хотим незаметно встроить камеру в одежду, нам только и остаётся, что уменьшать размер матрицы и оптики. Однако, американские учёные показали, что возможен прямо противоположный и несколько парадоксальный путь: нужно увеличить фотоаппарат до размеров одежды.
Долой сложную оптику — нужно сделать так, чтобы сенсорной системой, воспринимающей изображение окружающих вещей, стала сама ткань. И никаких тяжёлых и громоздких объективов, никаких линз и фокусировки, — такую цель поставили перед собой учёные и блестяще её достигли.

Прообраз совершенно фантастической вещицы построили недавно Йоэль Финк (Yoel Fink) и члены его исследовательской группы фотонных волокон и устройств (Photonic Bandgap Fibers and Devices Group) Массачусетского технологического института.
Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
За свою карьеру Финк получил несколько наград и зарегистрировал не один патент (фото OmniGuide).

Они продемонстрировали на опыте, что плоский кусок ткани, площадью 0,1 квадратных метра, способен без всяких оптических приспособлений увидеть демонстрируемый ему предмет (изображение смайлика) и передать эту информацию на компьютер.

Разумеется, секрет новинки — в необычных волокнах ткани, способных воспринимать свет и генерировать электрический сигнал. Но если бы учёные просто создали светочувствительные нити, из них получилась бы гибкая солнечная батарея, а никак не гибкая камера без линз. А значит — устройство волокон не такое уж и простое.

Вот как их получали. Сначала исследователи создавали заготовку — прозрачный полимерный цилиндр диаметром 25 миллиметров. Цилиндр этот обладал слоёной структурой.

Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
Каждое волокно ткани на срезе – как слоёный пирог, в котором на площади в доли миллиметра соседствуют полимеры, полупроводники и металлы (фото Yoel Fink, Fabien Sorin/Photonic Bandgap Fibers and Devices Group/MIT).

Внутри него скрывались два концентрических кольца из фоточувствительных материалов (это были очень тонкие слои из полупроводникового стекла), разделённых изолятором. Кольца эти, в свою очередь, были дополнены металлическими проводниками, лежащими вдоль оси цилиндра.

Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
Одна из изюминок лаборатории Финка – 5-метровая башня, предназначенная для вытягивания волокон. Она оснащена кучей вспомогательного оборудования, в том числе – системой обратной связи на основе лазерных измерителей, позволяющих с высокой точностью контролировать толщину волокна в автоматическом режиме (фото Photonic Bandgap Fibers and Devices Group/MIT).

Проводков таких было заложено по четыре на каждый слой, а всего — восемь. Между ними, соответственно, образовывались восемь датчиков света, вытянутых вдоль цилиндра и равномерно размещённых по его окружности.

Затем заготовку нагревали и медленно, очень аккуратно вытягивали до тех пор, пока диаметр цилиндра не уменьшался до нескольких сотен микрометров (меньше миллиметра). Так получалось длинное волокно, из которого экспериментаторы и сплели кусочек своей чудо ткани.

Данный процесс вытягивания схож с тем, что применяют при создании обычных оптических волокон, но здесь необходимо было следить, чтобы в процессе растяжения сохранялось правильно положение фоточувствительных участков и сигнальных проводников.

А это было непросто: отдельные элементы финальной системы 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, дабы при растяжении заготовки не нарушалась целостность конструкции.

Поскольку оптические свойства полимера и толщина всех слоёв такой нити были точно известны, ток с внутренних светочувствительных «лент» позволил учёным определять энергию пойманных фотонов, а разница в уровне сигнала с внешних проводников, расположенных по окружности, говорила о направлении, упавшего на ткань луча.

Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
Ещё одно волокно при большем увеличении. 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 могло работать камерой. Главный автор этого устройства, участник группы Финка, — Фабьен Сорен (Fabien Sorin) — создал из 72-х отрезков таких волокон сетку 36 х 36. Так и получилась собственно ткань-камера.

Сотни проводков (протянутых от конца каждого волокна) были присоединены к усилителю и далее — к компьютеру, получившему оригинальную программу расшифровки сигналов, выдаваемых тканью.

Для съёмки смайлика учёные использовали два раздельных источника монохромного света. Свет с определённой длиной волны порождал в ткани специфическую картину пространственного распределения электрических сигналов. А поскольку волокна образовывали решётку, программа могла по данным двух таких монохромных «кадров» реконструировать чёрно-белое изображение предмета, облик которого был запечатлён тканью.

(Детали работы камеры можно найти в статье в Nano Letters.)

Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
Опыт со смайликом (иллюстрация Fabien Sorin et.al.).

Интересно, что Финк и его коллеги ещё в 2006 году проводили эксперименты со светочувствительными волокнами и экзотическими всенаправленными системами восприятия изображений. Но видящую ткань сами авторы именуют крупным шагом вперёд.

«Это первый случай, когда кто-нибудь показал, что одна плоскость из волокон, может собирать образы так же, как и камера, но без линзы, — заявил Финк, — Эта работа представляет собой новый подход к системам видения и визуализации».

Дальнейшие перспективы выглядят ещё фантастичнее. Сорен говорит, что группа намерена увеличить число слоёв (и, соответственно, светочувствительных полос) внутри одного волокна.

Правда для этого ещё предстоит выяснить — сколько именно слоёв можно добавить, избегая дефектов при изготовлении довольно тонкой нити. И не менее важно узнать — какова получится предельная скорость растягивания заготовки и максимальная длина одного волокна? Эти параметры влияют на темп производства ткани.

Если это удастся, ткань-камеру можно превратить из чёрно-белой в цветную. И пусть пока картинка, формируемая такой системой, не особо чёткая, в будущем и разрешение, и чувствительность можно будет поднять.

А отсюда прямая дорога к видящей форме солдат, передающей на крошечный экран перед глазами рядового (или офицера), к примеру, широкую панораму местности, получаемую плечами и спиной непосредственно кителя. Другой вариант применения будущей ткани — гибкие складные телескопы и всяческие оптические системы для специальной съёмки, рассуждают исследователи.

Их достижение высоко оценил профессор из Корнелла Хуан Хинестроза (Juan Hinestroza), сам занимающийся как-раз совмещением нано— и текстильных технологий (он нам знаком по участию в создании платьев, сражающихся с опасностями города, а ещё — инопланетян-волокон, борющихся с подделками).

Хинестроза отмечает, что по аналогичному принципу в ткань можно встроить сенсоры температуры, движения или наличия определённых газов, дополнив тем самым возможности не только полевой формы, но открыв целое направление в интегрированных и комбинированных устройствах. И, что важно, таким расширением технологии своих «умных» волокон группа Финка уже занимается.

Несомненным преимуществом новой техники восприятия изображений является не только лёгкость и простота детектора, но и его высокая стойкость к повреждениям или частичному перекрытию поля зрения.

В отличие от традиционной системы с объективом и крошечной матрицей, видящая ткань способна передавать картинку даже при разрыве части волокон или в ситуации, когда фрагмент поверхности перекрыт какой-либо помехой (или просто — заляпан грязью).

И чем больший размер будет у такой ткани — тем лучше. В то время как рост размера фото— или видеокамеры традиционной конструкции ставит крест на мобильности и незаметности устройства.

Интересно, что аналогичная технология производства оптических волокон со сложной внутренней структурой (в частности, с несколькими сверхтонкими слоями из материалов с разными оптическими свойствами, окружающими пустотелую сердцевину), позволила некогда Финку и его последователям создать гибкий оптоволоконный скальпель на основе недорогого и мощного углекислотного лазера (его излучение, к тому же, очень хорошо поглощается живыми тканями в силу специфической частоты).

С классическим монолитным оптоволокном, использующим эффект полного внутреннего отражения, не удавалось провести к месту операции луч достаточной мощности. Либо волокно получалось толстым и почти не гнулось, либо тонкое волокно просто плавилось от потока излучения.

А ведь нужно было ещё сделать пятно от лазера достаточно маленьким и обеспечить свободу движений рук хирурга. Волокно же, придуманное Финком (оно получило название BeamPath), с пустотой в центре и покрывающим её стенки изнутри «идеальным зеркальным слоем», позволило провернуть такой трюк.

В 2003-м была создана компания OmniGuide (Финк стал её исполнительным директором), которая занялась поставкой на рынок таких необычных скальпелей. А ныне с их помощью выполнено более 8 тысяч операций.

Видящая ткань строит картинку без классической оптики.
Лазерный скальпель от OmniGuide нашёл «поклонников» среди специалистов по гастроэнтерологии, онкологии, гинекологии и ряда других разделов медицины (фото OmniGuide).

На днях же появились результаты предклинических тестов нейрохирургического варианта лазера OmniGuide BeamPath, показывающие, что система позволяет медикам действовать с высокой точностью и минимальным повреждением соседних тканей.

Опыт OmniGuide показывает, что идеи, родившиеся в научной группе Йоэля, вполне способны превращаться в коммерческий продукт. Так что есть надежда и на появление через несколько лет серийных курток-фотокамер или аналогичных рубашек да платьев.
  • +8
  • 09 июля 2009, 19:50
  • BopoH

Комментарии (1)

RSSсвернуть /развернуть
+
0
сразу вспомнился доктор Хаус) ну чтож это прогресс!
avatar

Roben

  • 09 июля 2009, 21:05

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.
Валидный HTMLВалидный CSSRambler's Top100