Засилье на улицах городов мальчиков и девочек, таскающих на шее внезапно ставшие доступными цифровые зеркальные фотоаппараты, вызывает улыбки. Конечно, право на самовыражение имеет каждый, однако профессиональные фотографы, которыми мнят себя молодые фотострелки, – это не только талант и упорный труд, но еще и вагон и маленькая тележка бешено дорогого оптического оборудования.
Есть ли в нем необходимость? Неужели нельзя обойтись обычным объективом с двумя-тремя линзами, если человеческий глаз имеет и того меньше – одну?
Отличие человеческого глаза от рукотворной оптики состоит, во-первых, в необычайно высокой чувствительности и разрешающей способности сетчатки. Однако её цифровые аналоги – полупроводниковые детекторные матрицы (приборы с зарядовой связью, ПЗС- или CCD-) — потихонечку подбираются к биологическому прототипу, наращивая чувствительность и количество мегапикселов.
Вторым, гораздо более важным отличием является сферическая форма сетчатки. А вот матрицы всех современных оптических устройств плоские.
Сфокусировать изображение на такой плоский детектор с помощью выпуклых и вогнутых круглых линз невозможно без искажений, которые возникают на их краях. Для минимизации этих искажений или, как говорят оптики, аберраций применяются системы из нескольких линз. Это сильно усложняет технику, а значит, и удорожает фото- и кинообъективы, а также делает их громоздкими.
искажения оптического изображения, даваемого точно рассчитанной и правильно изготовленной оптической системой. Различают многочисленные виды аберраций.
Геометрические аберрации неизбежно возникают во всякой реальной оптической системе. В идеале, точка должна изображаться точкой, причём расположенной в определённом месте. Геометрические аберрации можно разделить на две группы: одни ведут к тому, что точка изображается небольшой размытой фигурой — к таким аберрациям относятся сферическая аберрация, кома и астигматизм. Другие — кривизна поля изображения и дисторсия — ведут к тому, что изображение точки создаётся не совсем в том месте, где нужно. В реальных системах в той или иной мере присутствуют все геометрические аберрации, что отрицательно влияет на чёткость изображения и нарушает подобие изображения и предмета.
Хроматические аберрации — несовпадение изображений одного и того же предмета в разных цветах в пространстве изображений, а также зависимость геометрических аберраций от цвета. Вызывается тем, что показатель преломления оптических материалов, из которых изготовлены элементы оптической системы, зависит от длины волны. Проявляются в снижении чёткости изображения, иногда также в возникновении у изображения цветных контуров, которые у предмета отсутствовали.
Дифракционная аберрация возникает вследствие дифракции света на диафрагме и оправе фотообъектива. Дифракционная аберрация ограничивает разрешающую способность фотообъектива. Из-за этой аберрации минимальное угловое расстояние между точками, разрешаемое объективом, ограничено величиной λ/D радиан, где λ — длина волны используемого света (к световому диапазону обычно относят электромагнитные волны с длиной от 400 нм до 700 нм), D — диаметр объектива.
Аберрация входного зрачка. Возникает при съёмке очень светосильным объективом с очень близкого расстояния. Из разных точек входного зрачка изображаемый предмет виден под несколько разными углами, но всё это соединяется в одном изображении. Хотя накладываемые изображения совпадают геометрически, они отличаются друг от друга распределением светового потока. При этом изображаются также грани предмета, не видимые одновременно из одной точки. В результате, например, знакомые лица могут выйти на фотографии неузнаваемыми.
Аберрация входного зрачка, строго говоря, дефектом объектива не является. Она остаётся даже при идеальном ходе лучей. Тем не менее, при определённых условиях съёмки она приводит к тому, что изображение искажается. Аберрация входного зрачка уменьшается диафрагмированием.
В оптических системах полностью устранить аберрации невозможно. Их доводят до минимально возможных значений, обусловленных техническими требованиями и ценой изготовления системы. Иногда также минимизируют одни аберрации за счёт увеличения других (например, в софт-объективах).
Решение проблемы напрашивается само собой – нужно всего лишь сделать цифровую матрицу сферической.
Именно этому и посвящена работа Джона Роджерса из Университета штата Иллинойс в Урбане-Шампэйн и его коллег из Северо-Западного университета, опубликованная в свежем номере журнала Nature.
Почему, казалось бы, чисто технологическая работа заслужила такое пристальное внимание научной общественности? Ученые и инженеры уже давно понимали необходимость перехода от планарной к криволинейной оптике, вот только не могли определиться со стратегией такого перехода.
Современная микроэлектронная промышленность нацелена полностью на создание планарных электронных цепей с помощью литографии и травления кремниевых пластин. Все современные микрочипы и полупроводниковые матрицы кино- и фотообъективов создаются на основе подобной планарной технологии.
В принципе, этой методики уже оказывалось достаточно, чтобы из изогнутой пластины высокочистого кремния вытравить сферическую электрическую цепь. Однако затраты на адаптацию методики и её реализацию оказались, мягко говоря, неадекватными.
Существуют и другие подходы, например, использование способности кремниевых пластин к некоторой пластической деформации, самосборка матрицы из массива отдельных миниатюрных микрочипов, применение эластичных мембран. Все эти подходы продемонстрировали свои достоинства и недостатки, и все они требуют определенных технологических ухищрений для проведения тонких работ непосредственно на искривленной поверхности. Это и является главным недостатком, тормозящим развитие технологий.
Роджерс и его команда предложили иной, гораздо более универсальный и элегантный подход к решению наболевшей проблемы.
Их светочувствительная матрица построена из отдельных микродетекторов, соединенных тонкими полосками золотой фольги.
Массив фотодетекторов вытравливается на кремниевой пластине, которая после завершения формирования отдельных детекторов и блокирующих плоскостных диодов полностью стравливается. Для того чтобы вся система микрочипов и проводов при этом не разлетелась, она удерживается на полимерной полиимидной подложке. Процедура создания такого массива укладывается в современные стандартные возможности микроэлектроники.
Сферическая же форма матрицы задается следующим образом: берется тонкая эластомерная полидиметилсилоксановая мембрана, которая формуется в виде полусферы. Затем тонкое механическое приспособление растягивает эту мембрану так, что она становится совершенно плоской и натянутой, как кожа бубна или барабана. На эту плоскую поверхность накладывается заранее заготовленный массив из микродетекторов, соединенных золотыми проводками. После этого натяжение эластомерной мембраны ослабляют, и она возвращает себе исходную сферическую форму, заодно и немного сокращаясь по площади.
Таким образом мембрана придает сферическую форму и массиву микрочипов, а накладываемые на массив деформационные напряжения компенсируются изгибами золотых контактов, которые за счет уменьшения площади мембраны дугами выгибаются над поверхностью полидиметилсилоксана и полностью компенсируют деформационное напряжение на матрицу. Такая, казалось бы, простая до слез технология на самом деле потребовала не самого тривиального математического расчета.
Затем уже сформированный массив фоточувствительных детекторов переносится на стеклянную подложку подходящей формы и размера.
Остается только добавить в систему линзу, а так же присоединить пассивную полупроводниковую матрицу к внешней электрической цепи — и камера размером с человеческий глаз готова.
Пока, правда, экспериментальный образец имеет всего 256 светочувствительных элементов, но все мы хорошо знаем, как быстро современная технология позволяет нарастить это число до нескольких миллионов.
skin: article/incut(default)
data:
{
"_essence": "test",
"incutNum": 2,
"picsrc": "Фотокамера, созданная на основе сферическоо фотодетектора. Размер камеры приблизительно соответствует размеру человеческого глаза. // Beckman Institute, University of Illinois",
"repl": "<2>:{{incut2()}}",
"uid": "_uid_2803671_i_2"
}
Перспективы использования такой искривленной светочувствительной матрицы колоссальны. Во-первых, обрадуются новинке профессиональные деятели кино- и фотоиндустрии, так как теперь получить изображение широкого формата без искажений станет намного проще.
Во-вторых, существенно потерявшие в весе и размере такие оптические элементы могут стать прототипами для создания оптической системы различных автономных роботов и телеуправляемых беспилотных модулей. На ум, конечно, приходит металлический эндоскелет, покрытый живой оболочкой, однако, к примеру, оптические системы тех же самых глубоководных обитаемых и телеуправляемых аппаратов, о которых нам рассказывал Анатолий Михайлович Сагалевич, нуждаются в более совершенных, легких и малогабаритных решениях.
На самом же деле подход к созданию сгибаемой и растягиваемой электроники, продемонстрированный специалистами из Иллинойса, позволяет создавать куда более сложные устройства, чем просто сферические фотодетекторы. Например, биоимплантанты для живых тканей, которые часто подвергаются деформации, сенсорные элементы для «кожи» тех же роботов, да и вообще любые «умные» поверхности, которые могут использоваться для взаимодействия с людьми и всем, что их окружает.
Сами создатели, например, всерьез заявляют о возможности создания растягиваемой и сжимаемой электронной чувствительной поверхности, которая в один прекрасный день сможет быть имплантирована в человеческий мозг для отслеживания электронных импульсов, блуждающих в коре. Вот вам и сюжет другого известного блокбастера. Фантазировать здесь, как видите, можно долго и продуктивно, однако лучше подождать первых технических новинок с применением технологии растягиваемой электроники.
