Rozsah detekce světelného úhlu: nanodráty…

Detekce úhlu je u moderních senzorů obtížná. Co může tato funkce nabídnout? A co to má společného s ještěrými ušima?

Vědci ze Stanfordské univerzity vytvořili experimentální nastavení, které umožňuje prohlížet budoucí kamery a další systémy detekce světla, které zaznamenávají intenzitu i úhel dopadajícího světla.

Problém s detekcí úhlu

Všechny spotřebitelské fotoaparáty na trhu používají k záznamu statických snímků nebo videozáznamů obrazové snímače (například CCD nebo CMOS). Toto zachycení obrazu se provádí záznamem hustoty příchozích fotonů.

Úhel, pod kterým tyto fotony vstupují do kamery, se nezaznamenává. Taková data však mohou být velmi užitečná pro konkrétní aplikaci: focus.

Fotoaparát, který dokáže zaznamenat intenzitu i úhel dopadajícího světla, může pomocí těchto dat zaostřit obraz na sloup (tj. Po pořízení snímku). Úhlové informace můžete také použít k okamžitému zaostření pomocí triangulace. V trigonometrii lze pomocí pravidla sinus a kosinus použít ke stanovení vzdálenosti od zdroje světla dva detektory úhlu oddělené určitým úhlem.

Detekce úhlu dopadajícího světla je však složitá a vyžaduje vybavení, jako je několik čoček. I když je nano senzor užitečný (protože může růst přímo do senzoru kamery), je problém s detekcí „vlnové délky“. Abychom lépe porozuměli tomuto problému v akci, můžeme pozorovat zvířecí říši pomocí zvukového vnímání a umístění.

Úhel světla a ještěrčí uši

Zvířata s ušima s intervaly většími než jsou typické zvukové vlnové délky (8 ~ 30 cm) mohou určit směr příchozího zvuku v čase, jak zvukové vlny dosáhnou každého ucha.

Například zvuková vlna zasahující do pravého ucha před levým uchem musela pocházet ve směru k pravému uchu. Tento typ snímání polohy je možný pouze z důvodu času, který trvá šíření zvukových vln (300 m / s) a relativní rychlosti nervových přenosů, aby neurony před nimi mohly zpracovat dostatek informací. Zvuková vlna zasáhne druhé ucho. U zvířat, která jsou mnohem menší než tyto běžné vlnové délky, se říká, že mají „nižší vlnové délky“ a nemohou pomocí této techniky určit směr zdroje zvuku. Většina z těchto zvířat může určit polohu pomocí připojené zásuvky, která akusticky spojuje oba ušní bubínky.

Když zvuková vlna poprvé dosáhne jednoho ušního bubínku, způsobí to změnu prostoru mezi dvěma ušními bubínky, což sníží vnímací schopnost druhého ušního bubínku. Ačkoli každý ušní bubínek přijme signál se v podstatě stejnou amplitudou, ušní bubínek, který jej detekuje, bude mít vliv na druhý ušní bubínek jako první a tento rozdíl lze snadno detekovat. Zvláštním tvorem používajícím tuto metodu je gekon, který má akustickou dutinu, která spojuje oba ušní bubínky a umožňuje zdroji zvuku určit jeho směr.

Lze tedy tuto techniku ​​připojení použít k určení úhlu dopadajícího světla se senzory, které jsou považovány za „subvlnné délky“? Na tuto otázku právě odpověděla Stanfordská univerzita!

Nanodráty a snímání úhlu

Vědci ze Stanfordské univerzity vytvořili experimentální nastavení, pomocí kterého lze určit úhel dopadajícího světla. Konfigurace je založena na spojení dvou křemíkových nanodrátů, které se mohou vzájemně rušit, když přijímají přicházející fotony. Dva dráty o šířce i výšce 100 nm jsou mnohem menší než vlnová délka dopadajících fotonů a jsou umístěny ve vzdálenosti 100 nm od sebe.

Když přicházející fotony poprvé dosáhnou jednoho z řetězců, dojde k rozptylu Mie, což v podstatě znamená, že je ovlivněna absorpční kapacita druhého vlákna. Jelikož jsou oba kabely opticky spojeny a fotoelektrický proud je úměrný úhlu dopadajícího světla, lze úhel snadno určit.

Stejný experiment byl proveden s roztečí kabelů 2um, aby se ukázalo, že to, co spojuje kabely, je blízkost a experiment neukazuje žádné spojení.

Nanodráty, jak je uvedeno v reklamě Stanford z roku 2012 na lehké svařovací nanodráty. Obrázek ze Stanfordské univerzity.

Vědci však posunuli své experimenty o krok dále a provedli stanovení ve dvou úhlech. Oba detektory byly poté odděleny známou vzdáleností a pomocí údajů o rozdílovém proudu od každého senzoru byli schopni triangulovat světelný zdroj, aby znali jeho vzdálenost. Podle metody triangulace lze vzdálenosti ke zdroji světla určit s přesností na jeden centimetr v rozsahu 10 metrů. Zajímavé je, že tato metoda hledání rozsahu je mnohem méně komplikovaná než použití vysokorychlostní elektroniky, která vystřelí laserový paprsek a poté načasuje zpáteční cestu.

Potenciální aplikace: kamery, počítačové vidění, rozšířená realita

Použití nanodrátových senzorů pro detekci úhlů může ovlivnit kamerové senzory v řadě scénářů, kde je třeba provádět úhlové nebo dálkové snímání bez potřeby sofistikovaného hardwaru.

Systémy LiDAR například používají k programování zpáteční cesty laseru rotující zrcadlo a laser v kombinaci s vysokorychlostní elektronikou. I když je tato metoda spolehlivá a v současné době se používá, často vyžaduje velké části (například motory a zrcátka) a minimální snímací vzdálenost.

Nanodráty však nemusí mít měření minimální vzdálenosti, protože fungují spíše na chování fotonů v reálném světě než na CPU a čítači. Systém LiDAR využívající nanodráty bude stále potřebovat laserově rotující zrcadlo, ale časovač CPU nebude nutný a výsledky lze číst i nejjednodušším mikrokontrolérem. Lze také použít stacionární laser fungující jako laserový dálkoměr, ale celé nastavení senzoru a laseru se snadno vejde do jednoho IC balíčku.

Jak již bylo zmíněno výše, detekce úhlů může být pro fotografování potenciálně užitečná. Profesionální fotografové často používají manuální ostření, zatímco většina začínajících uživatelů používá automatické ostření. Automatické zaostření lze provést pomocí několika metod. Jednoduchý příklad jedné z těchto metod zahrnuje detekci kontrastu a ostrosti, takže musí existovat ostrá změna kontrastu mezi objektem, na který se má zaostřit, a pozadím. Objektiv se nastavuje, dokud není detekována největší změna, a v tomto okamžiku fotoaparát předpokládá, že je objekt zaostřen.

Senzory pro detekci úhlu však mohou poskytovat úhlové i směrové informace, které kameře sdělují přesně, jak daleko je předmět. Proto namísto hádání, zda je obraz zaostřený, může fotoaparát upravit nastavení zaostření fotoaparátu (tato nastavení se obvykle zobrazují jako vzdálenost od objektu). To by mohlo poskytnout cestu pro fotoaparáty bez objektivu.

Tato funkce má také rozšíření pro robotické zobrazovací aplikace, které poskytují další data pro použití procesorů, například pod autonomním vedením vozidla. Rozšířená realita, která se spoléhá na data ze senzorů, aby vyplnila grafiku v aktuálním prostředí, by mohla vidět revoluci, protože pokročilejší zaostřování a snímání vzdálenosti poskytuje pohlcující rozšířené zážitky.

Více o výzkumu si můžete přečíst v časopise. Nanotechnologie přírody.

Zobrazený obrázek obsahuje obrázek nanodrátů použitých se svolením Stanfordské univerzity.