Русский
Русский
English
Статистика
Реклама

Оптика

Макраме из света шифрование данных на оптических узлах

21.10.2020 10:10:51 | Автор: admin


Научные изыскания позволяют нам не только лучше понимать окружающий наш мир, но и контролировать некоторые процессы и явления. За долгие годы исследований и экспериментов мы научились менять свойства материалов, манипулировать электромагнитными полями, видеть далекие планеты и звезды, разбирать по кирпичикам клетки и многое другое. Некоторые новообретенные умения сильно удивили бы ученых прошлого. Одним из таких умений является возможность менять форму луча света. Но как это применить на практике? Ученые из Оттавского университета (Оттава, США) предложили создать обрамленный оптический узел, который можно использовать для хранения и кодирования информации. Как ученые завязывали луч света в узел, каковы свойства такой структуры и насколько безопасно хранить данные на оптических узлах? На эти и другие вопросы мы найдем ответы в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Любой моряк, дайвер или альпинист скажет, что правильный узел может спасти жизнь. Мастера макраме превратили узлы в настоящее искусство. А тайна наушников, самостоятельно запутывающихся в узлы, до сих пор остается не раскрыта.

Как мы прекрасно знаем, любой объект или процесс поддается математическому описанию, и узлы не исключение. С точки зрения математики, узел это вложение окружности в трехмерное евклидово пространство.


Типы простых узлов.

Математическая классификация узлов достаточно обширна (трилистник, печать Соломона, узел Листинга и т.д.). В данном же исследовании был задействован особый вид узлов обрамленный. Такой узел создается из плоской ленты. Грубо говоря, это своего рода запутанная лента Мебиуса.

Вторым компонентом исследования, естественно, был свет, а именно структурированный свет, представляющий собой оптическое поле с определенными пространственными и временными особенностями, которые можно менять. Как напоминают ученые, создание таких структур в основном опирается на концепции, связанные с сингулярной оптикой, т.е. изучение неоднородностей в оптических волновых полях. Неоднородности, которые можно найти в оптических фазах или в поляризации, именуются оптическими сингулярностями. Их можно использовать для создания оптических лучей разной сложности: от лучей с единственной сингулярностью до волновых полей, образующих топологические полосы и узлы.

К числу последних как раз и относится ранее упомянутая лента Мебиуса, а также разные типы узлов. Проблема в том, что подобные структуры часто рассматриваются как двумерные, нежели трехмерные, т.е. как оптические лучи с единственной сингулярностью.

В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые решили исправить этот недочет, экспериментально продемонстрировав генерацию и работу структур в волновых полях оптической поляризации, образующих обрамленные узлы. Кроме того, созданные узлы были использованы для кодирования топологической информации посредством совместного использования факторизации простых чисел и собственных топологических инвариантов узлов.

Создание оптического обрамленного узла


Узел, как мы уже знаем, это описание того, как запутанные нити/линии/полосы расположены в пространстве. По этой причине при анализе в рамках физической структуры узлы обычно обнаруживаются в полях, определяемых областями, которые однозначно образуют кривые в трехмерном пространстве. Такие узловые кривые были продемонстрированы в таких системах, как вихри в жидкостях, нули интенсивности в скалярных оптических полях и в пределах C-линий оптических полей поляризации.

C-линии, в частности, состоят из кривых чистой круговой поляризации в монохроматических электромагнитных полях. Одна из их самых отличительных особенностей связана со структурой поляризационного поля в непосредственной близости от них. Если точнее, то они заключены в поляризационные эллипсы с большой осью, которая вращается на целые числа, кратные , вдоль замкнутого контура, окружающего C-линию ( и 1d).


Изображение 1

В случае параксиальных* оптических лучей поляризация ограничивается плоскостью, поперечной распространению луча, например плоскостью xy.
Параксиальный луч* луч, который распространяется вдоль оси центрированной оптической системы.
Как показано на , это ограничение уменьшает плоскость, в которой можно проследить вращение оси поляризации. Однако непараксиальные лучи могут иметь векторы поляризации, нормаль которых не перпендикулярна распространению луча. Как показано на 1b, этот нормальный вектор, в свою очередь, определяет плоскость, в которой ось эллипса совершает половину оборота вокруг C-линии.

Наличие этих вращений является ключевой структурной особенностью, рассматриваемой при определении исследуемых обрамленных узлов.

Обрамленный узел в трехмерном пространстве представляет собой узел, оснащенный векторным полем, называемым обрамлением. Обрамление нигде не касается узла и характеризуется коэффициентом зацепления. Другими словами, оно считает, сколько раз векторное поле поворачивается (на 2 поворотов) вокруг узла. Узловые ленты обобщают обрамленные узлы до нечетного числа полу-скручиваний, например, узловые ленты Мебиуса.

Учитывая приведенное выше определение, обрамление замкнутой C-линии было определено осью соседнего эллипса поляризации, которого идет перпендикулярно касательной к C-линии.

Данная концепция проиллюстрирована на и 1b, где разными цветами отмечены эллипсы поляризации, окружающие C-линию, ось которой перпендикулярна ее касательной, что и определяет ее обрамление.

В редком случае, когда все оси перпендикулярны в определенной точке C-линии, вектор поляризации, определяющий обрамление, можно интерпретировать как тот, который обеспечивает его непрерывность с наименьшим количеством скручиваний. Эта концепция, в свою очередь, определяет обрамление, приписываемое узловой С-линии.

На показано, что это можно реализовать посредством узлового поля Ek, определяемого циркулярно поляризованной составляющей (Ek-) с узловыми фазовыми сингулярностями и продольно поляризованной составляющей (Ekz), гарантирующей, что Ek соответствует уравнениям Максвелла.

Путем наложения Ek на плоскую волну с противоположной спиральностью поляризации (Ep+) создаются узловые C-линии, возникающие из сингулярной структуры Ek (1d и 1e).

Помимо хорошо различимых трехмерных структур, узлы также могут быть представлены косами. Геометрически косы состоят из переплетенных друг с другом прядей, которые не переворачиваются на уже задействованной плоскости. Каждый узел можно представить в виде отдельной косы.


Изображение 2

Например, узел трилистник () может быть выражен как закрытие косы на 2b. Такое представление можно применить и к узлам/косам в трехмерном пространстве. Например, трилистник, внедренный в тор (2c), может быть получен посредством стереографической проекции косы, заключенной в цилиндр (2d).

Один из способов выполнить эту проекцию выразить эту косу как нули комплексного поля. Это поле записывается как функция комплексных координат (u, v), которые относятся к пространственным координатам (x, y, h), в которые коса вложена через u = x + iy и v = exp(ih). Это заплетенное поле, в свою очередь, может быть преобразовано в соответствующий ему узел со стереографической проекцией, определяемой:



где (, , z) цилиндрические координаты трехмерного пространства, в которое теперь вложен узел.

Данная проекция превращает косу, определенную на (x, y, h), в узел в (, , z), соединяя два ее конца, тем самым отображая координату h на .

Вышеупомянутая проекция в значительной степени используется при построении узловых оптических полей. В частности, скалярное оптическое поле может быть построено путем согласования его поля вдоль плоскости z = 0 с полем комплексного узла, возникающего в результате проекции косы. Когда это оптическое поле является параксиальным, то его формулировка в последующих z-плоскостях может быть получена с помощью методов параксиального распространения. Затем этот метод может быть расширен для описания параксиальных узловых C-линий.

Проекция, построенная из вышеуказанной формулы, была использована для создания структуры со свойствами, которые легче всего связать с оптическими узлами. Такой структурой стал тор Т2, полученный из проекции цилиндра С, охватывающий трехмерное представление соответствующей косы. Далее размеры узлов масштабировались так, чтобы их структура соответствовала Т2.

Также было использовано преобразование координат для кривой, образованной узловой С-линией. Это преобразование эффективно разрезает узел по заданному азимутальному углу и разворачивает его, тем самым сопоставляя координату узла с координатой h пространства. Во время этого процесса обеспечивается локальное сохранение ориентации обрамления узла. На показал узел трилистник до, а на 2f этот же узел после данной процедуры.

Такое преобразование позволило определить определенную информацию касательно узлов (угол закручивания, например). В данном случае угол закручивания состоит из азимутальной ориентации ленты в обрамлении, где нормаль совпадает с касательной к развернутому узлу (2g).

Кодирование информации на узел


Учитывая возможность извлечь угол закручивания из оптического обрамленного узла, появляется возможность использовать данную структуру для записи информации.

Метод записи данных основан на паре чисел (, ), где натуральное число, а число, связанное как с , так и с топологической структурой обрамленного узла.



где k обозначает прядь в косе рассматриваемого обрамленного узла, dk количество полуоборотов вдоль k пряди, демонстрирующей полуоборот (т.е. dk = если пряди не скручены), pk простое число, присвоенное k пряди. M = kdk состоит из общего числа полуоборотов в обрамлении узла.

Вышеперечисленные переменные позволяют определить натуральное число:



Таким образом, приведенное выше представление обрамленного узла и одной из его кос может быть использовано для кодирования и декодирования топологически защищенной информации.

Теоретический пример: Алиса и Боб


Далее ученые предлагают теоретический пример того, как этот процесс будет выглядеть. Предположим, что Алиса хотела бы отправить Бобу сообщение.

Это сообщение является результатом работы (выходные данные) программы, обрабатывающей некие входные данные (набор чисел dk, где k = 1, 2,, n). Ожидается, что запуск программы с таким набором предоставит сообщение Алисы.

Алиса представляет свою программу и ее выходные данные в виде обрамленной косы. Сама операция, выполняемая программой, идентифицируется как последовательность пересечений на планарной диаграмме косы, а исходные данные это количество полуоборотов на прядь. Программа Алисы полностью определена как обрамленная коса с n прядями в виде узловой ленты (КA).

Предположим, что Алиса не хочет отправлять Бобу оригинал обрамленной косы, а лишь КA. В таком случае возможно усложнить КA, тем самым скрыв (зашифровав) оригинальную обрамленную косу.

Следовательно, необходимо выполнить ряд действий. Сначала нужно выбрать натуральное число . Далее определить проекцию обрамленной косы по отношению к КA. Для этого нужно распределить количество полуоборотов в КA для разных прядей косы, то есть установить dk так, чтобы MA = kdk.

Следом необходимо присвоить простые числа pk прядям, демонстрирующим полуобороты. И наконец определить число согласно формуле 2.

После того как данная процедура завершена, Алиса может отправить Бобу ленту КA, завязанную узлом, и числа (, ).

Естественно, полученное сообщение необходимо расшифровать. Для этого Боб должен вычислить N,(MA), разложение которых на простые множители дает dk. За счет этого Боб может восстановить оригинал обрамленной косы, которую отправила ему Алиса.


Изображение 3

Данная операция по обмену данными показана на схеме выше.

Если свести все к простым терминам, то у Алисы есть лента (данные), которая она хочет передать Бобу. Эту ленту можно преобразовать в сложный узел и закодировать исходное состояние, предоставив средства для декодирования исключительно Бобу.

Практические эксперименты



Изображение 4

Следующим этапом исследования стала практическая реализация приведенного выше теоретического примера. В опыте были использованы параксиально-узловые C-линии, полученные посредством интерферометра Саньяка ().

Это устройство разделяет однородно поляризованный световой луч на две ортогонально поляризованные компоненты, каждая из которых модулируется пространственным модулятором света (SLM от spatial light modulator). SLM отображает голограммы, в которых зашифрованы как интенсивность, так и фаза целевого оптического поля.

Одна компонента модулируется для получения пучка с узловыми оптическими вихрями, такими как Ek- (1c). Вторая компонента модулируется, чтобы сформировать большой гауссов пучок, который равномерно покрывает всю узловую составляющую, тем самым эффективно принимая на себя роль плоской волны Ep+ (1c).

На выходе из интерферометра два луча когерентно складываются, тем самым преобразуя узловые фазовые вихри Ek- в параксиально-узловые C-линии. Узел и его обрамление затем можно реконструировать с помощью измерений поляризационной томографии, позволяющих получить профиль поляризации поля.

С помощью данной экспериментальной установки удается получить узлы разных типов: трилистник и печать Соломона (пятилистник). На 4b показаны голограммы, отображаемые на SLM, а также амплитуды и фазы полей, которые они должны создавать.

Фаза поля для узла трилистника и для узла пятилистника представлены следующими формулами:





где масштабированная и безразмерная версия цилиндрической радиальной координаты, азимутальная координата, a, b, s параметры, определяющие форму узла.

Для узла-трилистника рассматривались параметры a = 1, b = 0.5 и s = 1,2, тогда как для узла-пятилистника использовались a = 0.5, b = 0.24 и s = 0.65.


Изображение 5

Обрамленные узлы, полученные в ходе теоретических опытов, показаны на . А вот на 5b показаны узлы, полученные в ходе практических опытов. Помимо незначительных дефектов, возникающих в местах стыковки С-линий на концах узлов, наблюдается очень хорошее согласование теории и экспериментальных результатов. Схемы показывают развернутый вариант экспериментально полученных узлов. Сравнение числа полуоборотов также показало значительное совпадение теории и практики (5d).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Если очень и очень грубо суммировать колоссальный труд ученых, то мы получим две вещи. Во-первых, из лучей света можно вязать узлы разной степени сложности. Во-вторых, этот процесс позволяет записывать информацию, которая будет закодирована в ходе образования узлов.

Как отмечают сами ученые, ранее подобные структуры (оптические узлы) уже изучались, однако лишь как двумерные системы. В этом же труде их наконец-то рассмотрели как полноценные трехмерные структуры, что позволило куда лучше понять их свойства и возможные варианты применения.

Одним из таких применений является передача зашифрованных данных. Авторы исследования заявляют, что современные технологии позволяют с высокой точностью манипулировать различными параметрами лучей света (интенсивность, фаза, длина волны и т.д.). Возможность менять эти параметры позволяет кодировать и декодировать информацию посредством исключительно оптических методов.

Кроме того, данное исследование может помочь в топологических квантовых вычислениях, поскольку можно существенно снизить степень шума, который является одной из основных проблем в данной области. Конечно, это лишь теоретические предположения, которые еще предстоит проверить на практике. Тем не менее результатов, полученных в ходе данного исследования, уже достаточно, чтобы более оптимистично смотреть на грандиозные планы ученых.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Рисуем интерференционную картину на JavaScript

18.06.2020 02:12:19 | Автор: admin
15 лет назад я пытался писать диссертацию на тему Оптоэлектронный метод определения шероховатости поверхности. В ходе работы активно использовались BRDF-функции и прочий замечательный математический аппарат для оптики. Был написан код и пара глав, но интерес пропал повяз в работе. Пару раз пытался заново начать, но, к сожалению, так и не нашел причины выключиться из семьи и работы на год или даже больше. В качестве побочной задачки решил для себя реализовать визуализацию какого-нибудь интересного оптического эффекта. Выбор пал на интерференцию (wiki: взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга), как наиболее простую в реализации механику.

image


Первая версия была реализована на Delphi + OpenGL ещё в 2005 году, она предполагала манимацию смены фазы волны и состояла всего из 200 строк кода. Удивительно, но ее код до сих пор доступен в Кладовке.

Вернемся к более поздней версии, выполненной уже на JavaScript.


Физика отрисовки проста:
  1. Помещаем на страницу canvas и навешиваем событие onclick, которое запоминает координаты двух последних кликов мыши источников излучения: (x1, y1) и (x2, y2).
  2. Проходим в цикле по каждой точке canvas (x, y) и вычисляем евклидово расстояние до наших источников излучения: S1=SQRT((x1-x)^2+(y1-y)^2) и S2=SQRT((x2-x)^2+(y2-y)^2)
  3. Мы предполагаем, что наши источники излучают синусоидальный сигнал, поэтому можем легко вычислить амплитуду каждой точки: A(x, y)=sin(S1 * W)+sin(S2 * W), где W длина волны. Сюда можно еще добавить фазу, но это по желанию.
  4. Далее нормируем полученную амплитуду и получаем цвет пикселя: C(x,y)=A(x,y)*68+127
  5. ???
  6. Profit



В JSFiddle доступен исходный код и есть возможность поиграться, устанавливая источники в различные углы сцены.

image

Если вам интересно можете добавить реалистичности:


  1. Затухание сигнала.
  2. Анимацию изменения фазы.
  3. Отражение сигнала от плоскости (через аффинные преобразования легче всего).
Подробнее..

Как мы новую технологию AR очков придумывали (hardware)

05.02.2021 20:16:55 | Автор: admin

В настоящее время на рынке AR очков сложно найти технологию (а возможно ее и вообще не существует), которая позволила бы сделать AR очки не только уделом гиков, но и внедрить технологию в повседневную жизнь людей. В этом посте мы хотим рассказать о том, как попробовали придумать и собрать AR очки на основе новой технологии. Ну а попутно расскажем, по каким граблям ходили и в какую сторону лучше двигаться не стоит.


Введение


Все мы, наверное, в той или иной степени сталкивались с девайсами в виде AR очков. Но не все знают, почему так сложно сделать хорошие носимые устройства, которые смогли бы обеспечить пользователя изображением, не уступающим по качеству изображениям современных мониторов и экранов, имели бы небольшой размер, сравнимый с габаритами обычных очков для коррекции зрения, и могли бы работать без подзарядки на протяжении всего дня. Более подробно про современное положение дел и проблемы в области AR можно почитать тут: ссылка



Рис. 1: верхний рисунок глаз человека может фокусироваться на объекты, удаленные на расстояние больше 15 см, нижний рисунок для создания изображения в системе дополненной реальности необходимо использование прозрачного оптического элемента, который искусственно отдалит изображение на комфортное для человека расстояние.


Кратко, если нет времени читать предыдущий рекомендованный пост


Глаз человека очень сложный биологический сенсор. Считается, что порядка 80% всей информации об окружающем мире человек получает через глаза. Эволюционно сложилось так, что человеческий глаз может фокусироваться на предметы, которые находятся на удалении от 15 см до (бесконечности) (рис.1 (верхний)).


Такая особенность хороша для повседневной жизни в реальном мире, но является трудно преодолимой проблемой при разработке систем AR. В системе AR очков недостаточно просто отобразить изображение на дисплее или экране по средствам включения или выключения пикселя/мини-светодиода. Если в AR очки установить обычный дисплей, то он будет располагаться на расстоянии 2 3 см от глаз, куда человеческое зрение не в состоянии сфокусироваться. Чтобы решить эту проблему, необходимо пропустить изображение через оптическую систему и сделать так, чтобы глазу казалось, что изображение удалено на комфортное для зрения расстояние (рис. 1(нижний)). Вся сложность заключается в том, как изготовить такую оптическую систему, да так, чтобы эта система была прозрачной (для наблюдения реального окружающего мира), малой по размеру (как обычные очки), выдавала изображение высокого разрешения (конкурентоспособное в современном мире дисплеев), отображала изображение при различной ориентации глаза (глаз постоянно двигается и постоянно перемещается его оптическая ось) и т.д.


В настоящее время есть большое количество подходов и технологий, как обмануть глаз и заставить его думать, что изображение удалено на нужное расстояние, при том, что оно генерируется в паре сантиметров от глаз. Однако по тем или иным причинам уже существующие технологии не подходят для создания массового продукта в виде AR очков.


На основе знаний в области оптики, фотоники и современных технологий дополненной реальности мы попробовали разработать свою технология, которая по некоторым параметрам явно превосходит существующие аналоги.


Мини-предыстория


Все началось с университетской научной деятельности. Мы занимались изготовлением больших наноструктурированных поверхностей методом лазерной интерференционной литографии. Итоговые поверхности представляли собой протравленные по маске фоторезиста нанорешётки на поверхности кремния или стекла с характерным периодом 400 нм 5 мкм.
На одном из лит. обзоров попалась статья про использование мини дифракционных решеток для создания 3D дисплея (хотя это слишком громкое название для такого рода устройств). В работе предлагалось под каждым пикселем LCD дисплея устанавливать разно-ориентированные мини дифракционные решётки (рис. 2). Такая конструкция позволяет пикселю светить только в фиксированном направлении. А если правильно подобрать направления свечения всех пикселей, то можно добиться того, что каждый глаз будет видеть свое изображение, что в свою очередь приводит к появлению стереоэффекта, ну или как авторы называют это в своей работе 3D дисплею.



Рис. 2: a сканирующая электронная микроскопия одной дифракционной решётки, b один воксель (пиксель в 3D изображении) состоит из нескольких разноориентрованных решёток, с полноволновое моделирование диаграммы направленности от 64-лучевой подсветки, d поперечный срез диаграммы по пунктирной линии.


Не будем вдаваться в детали чужой технологии. Все подробности можно прочитать по ссылке: David Fattal. Скажу только, что на основе данной технологии был разработан смартфон RED Hydrogen One c 3D дисплеем (см. анимацию).



Анимация: Работа дисплея смартфон RED Hydrogen One со стерео/3D дисплеем.


Первоначально была идея использовать подобные решетки для создания AR очков. Предполагалось, что если спроектировать систему так, чтобы все решетки перенаправляли свет пикселей в одну точку, совпадающую с центром зрачка глаза наблюдателя, то можно добиться построения необходимого изображения на сетчатке. Такой принцип работы схож с технологией Virtual Retinal Display (VRD), использующейся в очках дополненной реальности North Focals. Однако использовать отдельные решетки для фокусировки не самый оптимальный и очень затратный подход. Гораздо лучше использовать голографические линзы, которые значительно проще в изготовлении и обладают теми же оптическими свойствами, что и решётки. Так появилась технология дополненной реальности на основе голографического оптического волновода.


Голографический оптический волновод



Рис.3: верхний рисунок объемный вид работы голографического оптического волновода, нижний рисунок сечение голографического оптического волновода с трассировкой лучей подсветки параллельным пучком.


Основным элементом технологии является голографический оптический волновод структура, состоящая из нескольких слоев различного назначения. Основной слой это планарный оптический волновод (1. Planar waveguide), изготовленный из стекла. При изготовлении одна из граней этого волновода полируется под таким углом, чтобы можно было завести параллельный пучок в волновод и добиться распространения излучения по волноводу по принципу полного внутреннего отражения. Тут стоит отметить, что стекло лучше брать оптически чистое, чтобы достичь распространения излучения по волноводу с наименьшими потерями. Излучение, заводимое в волновод, представляет собой расширенный параллельный лазерный пучок с фиксированной поляризацией (4. backlight). На поверхность планарного волновода укладывается голографическая пленка с записанным в объеме оптическим элементом (линзой) (2. HOE (lens)). Лазерный пучок, распространяющийся по такой структуре, частично высвечивается из-за интерференционных особенностей голографической пленки. Высветившееся излучение представляет собой фокусирующийся пучок фиксированной поляризации (на рис. 3(нижний) показано красными стрелками между слоями 2 и 3), который далее может быть модулирован системой из ЖК-матрицы и поляризационного фильтра (3. LCD matrix). При этом систему матрица + поляризационный фильтр можно настроить так, что активные пиксели (на которые подан управляющий сигнал) либо перекрывают пучок, либо наоборот позволяют оставить его светящимся (такое поведение достигается за счет правильной ориентации поляризационного фильтра по отношению к поляризации высвечивающегося пучка). Высветившийся и промодулированный изображением свет фокусируется в центре зрачка глаза наблюдателя и далее проецируется на задней стороне сетчатки (6. retina). Использование метода фокусирования лазерного излучения в центре зрачка позволяет избежать влияния оптической системы глаза (хрусталика, стекловидного тела и т.д.) на формирование изображения. Поскольку вся схема состоит из оптически прозрачных или частично прозрачных слоев, то через всю систему можно наблюдать окружающий мир (5. external objects) без помех.


К отличительным техническим преимуществам такой схемы по сравнению с другими AR технологиями (MagicLeap, Hololens, North Focals, ) можно отнести:


  • Максимальный FOV сравнимый с полем зрения глаза человека (120)
  • Высокая компактность, обусловленная расположением активного дисплея (ЖК матрицы) и просмотровой области в одном месте. Потенциально предлагаемая технология может позволить изготавливать очки в форм-факторе обычных очков для коррекции зрения.
  • Высокое разрешение генерируемого изображения. Поскольку изображение генерируется не на отдельном мини-дисплее (как это делается у Magic Leap или Hololens) вне просмотровой области, а прямо на очковой линзе.
    Прочие технические параметры не отличаются какими-то выдающимися характеристиками и являются стандартными для технологий AR.

Изготовление голографического оптического элемента (HOE)


Перед непосредственной сборкой всего устройства, была проведена работа по записи необходимых оптических элементов (линз) в объеме голографической пленки.


Более подробно о том, что такое HOE и где они используются, можно прочитать по ссылке. Существует много материалов, которые используются в голографии и которые рассматривались нами: фоторезисты, материалы на основе галогенидов серебра, фотополимерные пленки. Мы решили особо не заморачиваться с процессом отработки нанесения фоторезиста и всеми техническими тонкостями химии фоточувствительных веществ и взяли уже готовую голографическую пленку Covestro Bayfol HX200, которая обладает дополнительным клеящимся слоем, что значительно упрощает запись и перенесение пленки на планарный оптический волновод. Спектральная чувствительность этой пленки является наиболее подходящей для наших задач.



Рис. 4: голографическая пленка Bayfol HX200, вставка спектральная чувствительность пленки ссылка


В качестве записываемого элемента использовалась плосковыпуклая короткофокусная линза N-BK7 Plano-Convex Lens, 1", f = 25 mm. Такой короткий фокус позволяет расположить голографический оптический волновод на фокусном расстоянии линзы так, чтобы фокус пучка совпадал с центром зрачка глаза наблюдателя. То есть в нашем случае AR дисплей будет установлен на расстоянии 25 мм от глаза.


Запись производилась по стандартной методике голографии в темной комнате. В качестве источника излучения использовался лазерный диод на 650 нм из набора LitiHolo. Пучок от лазерного диода расширялся до диаметра используемой оптики 1, после чего при помощи светоделительной пластины 50/50 делился на опорный и предметный пучки. Предметный пучок проходил через записываемый оптический элемент (N-BK7 Plano-Convex Lens, 1", f = 25 mm), а опорный проходил через систему зеркал и под углом проецировался в тоже место голографической пленки, что и предметный пучок. При этом оптическая ось предметного пучка была перпендикулярна поверхности голографической пленки, а оптическая ось опорного пучка составляла порядка 60к нормали. Такой угол записи обусловлен углом полного внутреннего отражения в планарном оптическом волноводе при последующем заведении излучения.


Для контролирования дифракционной эффективности использовались нейтральные фильтры, устанавливаемые в предметном пучке. Дифракционная эффективность рассчитывалась, как отношения между падающим и дифрагированным пучком в процессе оптического восстановления изображения, записанного в объеме голограммы.



Рис. 5: слева схема установки для записи образа оптического элемента, который можно помещать в область, обозначенную пунктиром, справа установка, реализованная на оптическом столе.


Время засветки (экспозиции) и мощность пучков подбирались экспериментально. В нашем случае время засветки составляло 2 мин, мощность опорного пучка 1.96 мВт, мощность предметного пучка 1.68 мВт (наибольшая идентичность мощностей в пучках соответствует случаю наибольшей дифракционной эффективности).


После записи образа короткофокусной линзы, голографическая пленка подвергалась УФ облучению в течение нескольких часов. В качестве источника УФ-света использовалась кварцевая лампа КРИСТАЛЛ. В результате УФ засветки не засвеченная область пленки становилась прозрачной, как показано на рис. 6. (справа). Полученные голографические оптические элементы можно переносить (переклеивать) на подготовленный планарный волновод, который в последующем будет использоваться в AR очках.



Рис. 6: слева пример голографически записанной оптической линзы (область с радужной окраской голографическая линза), справа изменение цвета и прозрачности голографической пленки Covestro Bayfol HX200 в зависимости от длительности пост-засветки УФ кварцевой лампой (от 0 сек (0) до 2 часов (7) с шагом в 15 мин)


Список компонентов для прототипа AR очков:


  • Оптический планарный волновод с одной из граней, отполированной под углом 45. Размеры 40мм x 40мм и толщина 4 мм
  • Голографическая пленка Covestro Bayfol HX200
  • Обычная китайская красная лазерная указка на 650 нм
  • Плосковыпуклая короткофокусная линза N-BK7 Plano-Convex Lens, 1", f = 25 mm
  • Поляризационная клеящаяся пленка для LCD дисплеев
  • ЖК-модуль Nokia 5110 84x48
  • Контроллер Arduino Nano
  • расходники: провода, кнопки, батарейки и т.д.

Сборка прототипа


Первоначально мы попробовали изготовить стеклянный планарный оптический волновод самостоятельно, используя шлифовальные черепашки (казалось, что для проверки работоспособности прототипа этого будет достаточно). Но такой способ не позволил получить ровного края бокового окна. При обработке образуются сколы в нижней части, где толщина стекла наименьшая, также качество полировки оставляет желать лучшего. Помучившись с полировкой, мы решили заказать планарный волновод фабричного производства с углом при основании 45.



Рис. 7: слева самодельные оптические волноводы (у основания видны сколы), справа планарный оптический волновод фабричного производства.


LCD матрица была взята из ЖК-модуля Nokia 5110 84x48. Для этого аккуратно разобрали дисплей, удалили рассеиватель, подсветку и один из поляризационных фильтров (Рис. 8). В итоге осталась только сама ЖК-матрица и один наклеенный на нее поляризатор. Для удобства миниатюризации припаяли одножильные лакированные провода к контактам ЖК-матрицы (если эти провода не повреждать и особо не гнуть, то их лаковой защиты хватит в качестве изоляции).



Рис. 8: частично разобранный ЖК модуль Nokia 5110 84x48. На фото ЖК-модуль с двумя поляризаторами (когда один из них отклеили, матрица стала значительно более прозрачной)


Записали ряд образцов голографической линзы с разными дозами экспозиции и разным отношением мощностей в опорном и предметном плечах. Выбрали пленку с наибольшей дифракционной эффективностью (дифракционную эффективность оценивали с помощью измерителя мощности оптического излучения) и наибольшей однородностью высвечивания. У выбранного нами образца дифракционная эффективность составила 17%, что достаточно мало. В теории можно изготовить голографические оптические элементы с дифракционной эффективностью до 98%. Далее приклеили голографическую пленку на планарный волновод так, чтобы края голограммы и грани, скошенной под углом 45 планарного оптического волновода, максимально совпадали.


Планарный оптический волновод с приклеенной голографической линзой вставлялся в специальный держатель, распечатанный на 3D принтере. Также в этот держатель устанавливалась LCD матрица с наклеенным на нее поляризатором (рис. 9). Отпечатки пальцев и прочий мусор на поверхности может нарушать условие полного внутреннего отражения, что приводит к высвечиванию пучка в совершенно ненужных местах. Для защиты и предотвращения попадания грязи были использованы защитные окна, изготовленные из предметного стекла.



Рис. 9: конструкция дисплея дополненной реальности.


В качестве источника подсветки использовался лазерный светодиод на 650 нм, с правильно выбранной ориентацией поляризации света. Излучение от лазерного диода проходило через плоско-выпуклую линзу и коллимировалось до параллельного пучка, который в последующем заводился через торец планарного стеклянного волновода. Все параметры конструкции были экспериментально, итерационно подобраны с использованием 3D печати (рис. 10).



Рис. 10: пунктиром выделена область формирования параллельного пучка от лазерного диода (внутри находится линза для преобразования расходящегося пучка в параллельный с последующей проекцией на боковое окно планарного волновода)


Для крепления к голове изготовленного AR дисплея с подсветкой был изготовлен функциональный каркас (рис. 11), изготовленный по образу дужки обычных очков для коррекции зрения. Так как форма головы человека индивидуальна и может отличаться по геометрии и по размеру от изначально подобранных параметров, в конструкцию были добавлены дополнительные регулировочные винты, которые позволяют настроить очки под особенности каждого, а именно добиться совпадения пятна фокусировки от AR дисплея и центра зрачка наблюдателя. В боковые дужки были установлены элементы питания, элементы (кнопки) и блок управления (Arduino Nano). Кнопки необходимы для переключения между картинками и запуска воспроизведения изображений.



Рис. 11: слева конструкция в виде дужки очков, для крепления AR дисплея, справа в одной из дужек спрятан блок управления (Arduino Nano)


В конце-концов все это было настроено и собрано в один автономный девайс (рис. 12).



Рис. 12: первый прототип AR очков на основе голографического оптического волновода.


Конечно, мы не сразу приступили к сборке компактного варианта. Первоначально подбор базовых параметров технологии осуществлялся для прототипа, собранного на оптическом столе. Изображения, полученные в лабораторном устройстве, показаны на рис. 13. После того, как была продемонстрирована работоспособность лабораторной схемы, мы приступил к сборке устройства в компактном форм-факторе (AR очки).



Рис. 13: Изображения наложения цифровой сгенерированной информации на образ окружающего мира (на оптическом столе).


Как можно видеть из рис. 14 компактный протип AR очков работает:)))
К сожалению, изображения, полученные на компактном прототипе (рис. 14), сильно хуже, чем изображения полученные на оптическом столе (рис. 13). Скорее всего, это связано с неправильно подобранным углом заведения излучения и неправильно выставленной ориентацией поляризации лазерного источника. Также можно видеть, что изображение имеет вертикальные дефектные линии, обусловленные неточностью позиционирования голографической пленки с краем планарного волновода. Ну и не стоит забывать, что дифракционная эффективность голографического элемента порядка 17%, что достаточно мало.



Рис. 14: слева прототип очков дополненной реальности, справа изображения наложения цифровой сгенерированной информации на образ окружающего мира (компактный прототип). На изображении: шахматная доска, очки, крест, мишень (видно очень плохо, так как использовалась диф.решётка с низкой диф.эффективностью)


Из минусов технологии:


Разработанная технология отличается высочайшей компактностью. Даже не знаю аналогов, в которых изображение генерировалось прямо в просмотровой области. Как правило, в существующих AR технологиях изображение выводится на микро-дисплее, а затем по оптическому волокну передается в просмотровую область / очковую линзу. Также технология обладает наибольшим FOV, сравнимым с FOV глаза человека.


Но все же есть один недостаток:
Глаз человека находится в постоянном движении (смотрит вправо, вверх, влево, вниз, прямо). Это приводит к тому, что роговица может перекрывать пучок света, проходящий через центр зрачка. Пока не понятно, как оптимально решить проблему с постоянной подстройкой оптической системы (положения фокусного пятна) под положение зрачка пользователя.


А что дальше???


1) На момент написания поста уже одобрена патентная заявка по данной технологии.
2) С учетом допущенных ошибок начинается сборка нового прототипа с улучшенными параметрами (контрастностью изображения, разрешения картинки и т.д.).
3) Будет опробована реализация данной технологии для генерации не только монохромных, но и цветных изображений.
4) Разрабатывается система подстройки фокусного пятна под ориентацию глаза, под положение зрачка наблюдателя. Рассматриваются способы, подобные решениям в области VRD технологий.


В целом, хотя технология находится еще в стадии развития, мы считаем, что разработанный принцип наложения цифрового изображения на образ окружающего мира может послужить базой для разработки новых AR технологий, обладающих высочайшей компактностью и большим просмотровым полем (FOV).


P.S. Если вы шарите в электротехнике или любите Science (оптику, фотонику и т.д.) и у вас есть желание покопаться/поразрабатывать всякие AR хардвар штуки пишите в лс.


P.P.S. Выражаются благодарности всей тиме AR_Global (Анне П, Вере П, Мише Е), которая принимала непосредственное участие в разработке технологии и её реализации в виде прототипа. За поддержку выражается благодарность всему коллективу NanoLab.

Подробнее..

Самодельный спектрометр с высоким разрешением

09.03.2021 12:08:26 | Автор: admin
Радуга над плато УКОК на АлтаеРадуга над плато УКОК на Алтае

Хорошее разрешение достижимо

В интернете много публикаций о том, как используя DVD-R диск и смартфон можно собрать спектрометр, однако характеристики таких устройств не позволяют проводить точные измерения. Мне же удалось сделать прибор с разрешением 0,3 нм.

Основные характеристики

Спектрометр работает в диапазоне 400-700нм с разрешением 0,3 нм. Применяются сменные оптические щели шириной 50, 100, 200 и 300 микрон. Дифракционная решетка с шагом 740 нм изготовлена из DVD-R диска. Регистрация спектра выполняется зеркальной фотокамерой Nikon D5100. Прибор выполнен в крепком корпусе, позволяющем сохранять настройки при перемещениях.

Конструкция и изготовление прибора

Дифракционная решетка

Просто красивый спектр свечи на DVD-R дискеПросто красивый спектр свечи на DVD-R диске

Диск был расслоен на две половины и разрезан на части, которые после промывания спиртом были помещены в рамки. Дифракционная решетка готова.

Дифракционная решетка из DVD-R дискаДифракционная решетка из DVD-R диска

Изготовление сменных оптических щелей

В дюралевой пластине сверлю отверстие диаметром 8 мм. Клеевым пистолетом закрепляю половинку лезвия безопасной бритвы, располагая режущую кромку по центру отверстия. Вставляю в отверстие щуп толщиной 50 мк, плотно прижимаю вторую половину лезвия и приклеиваю ее. Аналогично делаю щели 100 мк, 200 мк и 300 мк. Сменные оптические щели готовы.

Корпус спектрометра

Делаю деревянный корпус. Окрашиваю внутри и снаружи в черный цвет.

Оптика и регистрация спектра - фотоаппарат NIKON D5100

Зеркальная фотокамера NIKON D5100Зеркальная фотокамера NIKON D5100

Примерно на 3000 пикселей матрицы приходится около 300 нм видимого спектра. Т.е. 1 пикселю соответствует 0.1 нм. Для надежной регистрации линии нам нужно два-три пикселя. Расчеты показывают, что для такого разрешения размеры оптической щели должны быть порядка 100 микрон. Было сделано несколько щелей для выбора лучшего варианта экспериментальным путем.

Чтобы получить такое разрешение необходим зеркальный фотоаппарат с хорошим объективом. Смартфон и веб-камера не подходят. Требуется большая апертура и ручные настройки. На данный момент на Авито можно приобрести подходящую камеру по цене от 5 до 10 тысяч рублей.

Настройка и калибровка спектрометра

Калибровка прибора проводилась перед каждой серией экспериментов по известному спектру компактной ртуть содержащей люминесцентной лампы.

Лампа для калибровкиЛампа для калибровки

Определение длины волны линий исследуемого спектра возможно без специального программного обеспечения. Ниже спектр лампы с линиями ртути 435,8 нм, 546,0 нм, 577,0 нм и 579,1 нм. Линия 611 это уже Европий.

Спектр лампы с линиями ртутиСпектр лампы с линиями ртутиДве линии ртути крупным планомДве линии ртути крупным планомЕще крупнееЕще крупнее

Расстояние между линиями 2, 1 нм. Половина ширины линии на кадре не более 0,3 нм, что соответствует примерно 3пикселям матрицы. Делаем вывод разрешение прибора 0,3 нм. Что в дальнейшем подтвердится съемкой двойной линии натрия.

Для построения спектральных кривых можно использовать программу сайта Spectral Workbench

Спектр лампы, которую я применял для калибровкиСпектр лампы, которую я применял для калибровки

Измерение различных спектров

Были проведены несколько классических экспериментов.

Снят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. ПолденьСнят спектр Солнца. Высота 13 градусов над горизонтом. ПолденьСпектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нмСпектр от трех лазеров с длинами волн 405 нм, 532 нм и 650 нмОпыты по определению концентраций растворов KMnO4Опыты по определению концентраций растворов KMnO4Спектр пламени газовой горелкиСпектр пламени газовой горелки

Самый интересный эксперимент, ради которого и был изготовлен спектрометр - измерение спектра пламени костра

Исследуемое пламя костра в каминеИсследуемое пламя костра в каминеЯ разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламениЯ разжигал костер в камине и проводил исследования, фиксируя спектр пламени

На фоне непрерывного спектра была зарегестрированна яркая линия, которую я назвал линией огня.

Обработка результата

Совмещаем спектр калибровочной лампы и исследуемый спектр на одном кадре. Зная расположение известных линий ртути, можно определить искомую длину волны, путем замеров и последующих расчетов.

Слева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламениСлева спектр калибровочной лампы. По центру спектр пламени

Что это за линия и как она возникает - читайте в моей статье "Спектральный анализ пламени костра. Что делает огонь желтым наночастицы углерода или соли натрия?"

http://personeltest.ru/aways/habr.com/ru/post/545710/

Полезные ссылки:

1. Сайт Spectral Workbench. Используя программы на сайте можно обрабатывать спектры и получать графики интенсивности в зависимости от длины волны.

https://spectralworkbench.org

2. Информационная система Электронная структура атомов. Очень удобный русскоязычный ресурс по спектральным данным атомов и ионов.

http://grotrian.nsu.ru/ru/periodictable/

Подробнее..

Перевод Какие инструменты будут установлены на Чрезвычайно большой телескоп?

18.06.2021 14:19:30 | Автор: admin

Проектирование и строительство инструментов для Чрезвычайно большого телескопа (ELT) началось в 2015 году. В данном переводе работы (Ramsay et al.) будет представлен краткий обзор плана создания приборов для ELT.

Любой вопрос или замечания Вы можете написать в комментариях. Также я открыт для личного диалога втелеграмеили беседы внашем чате. А еще у меня естьтелеграм-канало космологии.

Внешний вид ELT без "обшивки"Внешний вид ELT без "обшивки"

В декабре 2014 года Европейской южной обсерваторией было дано разрешение на строительство 39-метрового телескопа. Вместе с проектированием оптического устройства началась разработка компонентов телескопа план оснащения ELT предусматривает наличие инструментов для выполнения научной задачи телескопа, которые были выбраны научным сообществом ESO из концептуального проекта 2010 года (TheMessenger 140, 2010). На рисунке 1 представлена временная шкала разработки приборов.

Научная рабочая группа ELT выбрала первые для установки инструменты, которые будут введены в эксплуатацию вместе с первым светом:

  1. Монолитный оптический интегральный спектрограф, который имеет высокое угловое разрешение в ближнем ИК-диапазоне (англ.: High Angular Resolution Monolithic Optical and Nearinfrared Integral field spectrograph, HARMONI);

  2. Камера ближнего ИК-диапазона с мультиадаптивной оптикой (англ.: Multi-adaptive Imaging CamerA for Deep Observations, MICADO).

Также в разработке находятся системы адаптивной оптики:

  1. Модуль лазерное томографической адаптивной оптики (англ: Laser Tomographic Aaptive Optics, LTAO);

  2. Модули сопряженной адаптивной оптики (англ.: Multi-conjugate Adaptive Optics, MCAO и Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY, Multi-conjugate Adaptive Optics RelaY, MAORY);

Данный набор инструментов позволит проводить на ELT широкоугольные обзоры неба, собирать огромную площадь регионов и производить первые необходимые исследования для проектов. Следующим инструментом по списку идет спектрограф, наблюдающий в среднем ИК-диапазоне на 3-14 мкм (англ.: Mid-infrared ELT Imager and Spectrograph, METIS) с односопряженной адаптивной оптикой (англ.: Singleconjugate Adaptive Optics, SCAO).

Roadmap разработки и фазы инструментаRoadmap разработки и фазы инструмента

Все вышеперечисленные приборы были одобрены к разработке и установке на ELT в 2015-м году. Предварительные проекты (PDR) для модулей HARMONI, а также MICADO и METIS состоялись в ноябре 2017, октябре 2018 и мае 2019 годов соответственно. Пакеты документов по каждому инструменту насчитывают несколько тысяч страниц, в число которых входят концепции дизайна, назначение и прочие. На текущий момент каждый из инструментов официально находится на этапе окончательного проектирования, и после окончательного рассмотрения проекта (FDR) они будут введены в эксплуатацию. Все инструменты с момента принятия их к разработке, кроме MAORY, практически не подверглись изменениям в ходе проектирования конструкцию MAORY существенно пересмотрели и оптимизировали с точки зрения технологичности и простоты в эксплуатации.

Как это всегда бывает, истинные требования инструментов со сложными техническими характеристиками к ресурсам были уточнены лишь в процессе совершенствования их конструкции: бюджет, масса и мощность, контроль вибрация, техническое обслуживание. Благодаря проведенному на высоком уровне проектированию устройств все инструменты перешли к завершающей фазе FDR без потери функциональности и производительности.

Чрезвычайно большой телескоп (ELT)Чрезвычайно большой телескоп (ELT)

Выше было рассказано лишь о тех устройствах, которые точно будут введены в эксплуатацию вместе с ELT. Но еще на первичной фазе исследований разработки ELT, происходящей в 2007-2010 годы, предполагалось использовать еще ряд инструментов:

  1. Многообъектный спектрограф (англ.: Multi-object Spectrograph, MOSAIC), который состоял из трех концепций (OPTIMOS-EVE, OPTIMOS-DIORAMAS и EAGLE);

  2. Спектрограф с высокой спектральной разрешающей способностью (англ.: Highstability Spectrograph, HIRES), который состоял из двух концепций (CODEX и SIMPLE).

Кроме того, на телескопе предлагается использовать инструмент ELT-PCS он будет выполнять одну из приоритетных и сложных задач, поиск и анализ экзопланет. Решение об установке устройства было принято в 2010 году. ELT-PCS будет введен в эксплуатацию чуть позже остальных приборов. Кроме того, для достижения экстремальных коэффициентов контрастности для наблюдений внесолнечных планет, для устройства разрабатывается уникальный коронограф.

Ну и напоминаю, о том, чтобы читатель не стеснялся задать вопрос или поправить меня в комментариях. Также у меня естьтелеграм-канал, где я рассказываю о последних новостях космологии и астрофизики, а также пишу об астрофотографии. Пишите мне вличкуилинаш чат. Всем добра!

Подробнее..

Краткая история оптической связи от Древней Греции к спутникам Маска

23.02.2021 04:22:12 | Автор: admin


Мы живем в информационную эру, где интернет базовое право человека. Достигнуть текущего уровня развития было непросто, но мы смогли, и сейчас технологии позволяют нам жить в том будущем, которое еще недавно раскрывалось лишь на страницах книг. Понятно, что технологии возникли не вдруг, некоторые из них уходят корнями в далекое прошлое.

Одна из этих технологий оптическая связь. Ее использовали еще в античности. Ну а сейчас у нас есть подводные магистрали, спутниковые лазерные системы и многое другое. Давайте посмотрим, как оптическая связь менялась с течением времени.

Семафоры и гелиографы


То, что скорость света гораздо больше скорости звука, люди поняли очень давно. И это знание они стали применять на практике. Речь идет о световых сигналах, которые активно использовались, например, в Древней Греции. Конечно, догадались использовать свет и другие цивилизации, но у греков все это было развито особенно хорошо.

Графический телеграф реконструкция из музея в г. Салоники, Греция

Греки построили систему, известную как Фриктория. Это башни на вершинах гор. Стража на башнях по цепочке зажигала огни, которые были хорошо видимы на расстоянии до 50 км. Соответственно, отправленное сообщение уходило в нужную точку очень быстро. В некоторых источниках даже говорится о том, что именно так по Греции распространилось сообщение о взятии Трои.


Именно греки придумали специальный код для световых сигналов. У башен было две группы по 5 факелов. Каждый из них представляет собой элемент квадрата Полибия. Соответственно, изменение местоположения элементов в этой матрице позволяло кодировать и передавать самые разные сообщения. Еще один вариант гидравлический телеграф, который использовался по время Первой Пунической войны для отправки сообщений между Сицилией и Карфагеном.

Вот что говорит Википедия по поводу этого телеграфа: На стержнях были нанесены различные заранее заданные коды в разных точках по высоте. Чтобы отправить сообщение, отправляющий оператор будет использовать фонарик, чтобы подать сигнал принимающему оператору; как только они будут синхронизированы, они одновременно откроют патрубки на дне своих контейнеров. Вода будет стекать до тех пор, пока уровень воды не достигнет желаемого значения, после чего отправитель опускает факел, а операторы одновременно закрывают свои краны. Таким образом, продолжительность видимости факела отправителя может быть соотнесена с конкретными заранее заданными кодами и сообщениями.

Применялись семафоры и гораздо позже. В 18 веке была создана иная разновидность оптического телеграфа, сеть которых позже была распространена по всей Франции. Это была коммуникационная сеть военных.


Отдельный элемент системы башня с подвижными шестами. Был разработан алфавит, где каждой букве соответствало определенное положение шестов. Первая линия оптического телеграфа была сооружена между Парижем и Лиллем. Положение шестов меняли при помощи 196 разных положений так что изображать можно было не только буквы, но и отдельные слова. Каждая станция обслуживалась двумя работниками. Один следил за соседней башней и ее шестами, второй копировал положение шестов соседа, и так по цепочке. Проблемой такой системы было то, что работала она лишь в светлое время суток и только при относительно хороших погодных условиях. Облачность, дождь, темнота все это останавливало работу семафоров.


Но в светлое время суток и при хорошей погоде система работала просто отлично. Cкорость передачи данных составляет около 2-3 символов в минуту между соседними станциями. От Парижа до Лилля один символ доходил примерно за две минуты, а это 230 км. Для того времени просто мечта.

Системы, основанные на тех либо иных сигнала широко использовались в XIX и XX веках, особенно в военное время. После изобретения азбуки Морзе все упростилось во много раз.

Изобретение Белла


Сейчас существует много DIY-проектов, где аудиосигнал передается при помощи лазера. Построить такую систему не так и сложно. Но все эти проекты базируются на идее Александра Белла, который еще в 1880 году создал фотофон. Основной носитель информации в нем свет, не лазер, конечно, но солнечный свет. При этом именно фотофон Белл считал самым важным своим изобретением, а не телефон.


Действие этого прибора основано на свойстве селена менять электропроводимость под воздействием солнечных лучей. Они отражаются от зеркала, которое, в свою очередь, вибрирует под влиянием звука. Получатель сигнала здесь как раз кристаллические селеновые ячейки. Зеркало модулировало луч света, фокусируя или рассеивая свет от источника. Белл с партнером создали тестовую установку, которая помогла передать сигнал на расстояние около 213 метров.

Но, конечно, у этого устройства было огромное количество недостатков, включая возможность работы лишь при ясной погоде и на относительно небольшом расстоянии. Но как бы там ни было, изобретение Белла считается предшественником современных волоконно-оптических линий.

Ну а потом стекловолокно


Если исключить парочку военных проектов, то телекоммуникации в XX веке реализовывались посредством коаксиальных кабелей и излучения с частотой 1-10 ГГц. Так все было до момента появления оптоволокна в 70-х годах прошлого века. Очень быстро именно оно стало основным каналом связи с огромной пропускной способностью.

Оптоволокно стало ответом на проблемы коаксиальной связи. Главный ее недостаток заключается в том, что сигнал нужно усиливать примерно через каждый километр, чтобы компенсировать потери при передаче. При беспроводной радиочастотной (РЧ) связи интервал ретранслятора может быть намного больше, но в обоих случаях полоса пропускания ограничена ~ 100 Мбит / с из-за низкой частоты несущей РЧ.


Оптоволокно решало все эти проблемы. И спустя пару лет оптоволокно стало тем, чем оно является и сейчас. Так, еще в 1977 году компания General Telephone and Electronics (сейчас корпорация GTE) отправила первый в мире прямой телефонный трафик через оптоволоконную систему со скоростью 6 Мбит / с. Сегодня всемирная волоконно-оптическая сеть насчитывает более 400 миллионов километров, что почти в три раза превышает расстояние до Солнца.

Оптоволоконную связь улучшили благодаря методам мультиплексирования, включая мультиплексирование по длине волны, временным разделением или пространственным мультиплексированием с разделением. В лаборатории комбинация этих методов показала отличный результат данные удалось передать со скоростью в 11 Пбит/с, с потерями всего в 5% на каждый километр. Ретрансляторы устанавливаются каждые 80 км, что, конечно, гораздо лучше, чем в случае коаксиального кабеля.

Интернет из лампочки


Кроме оптоволокна, есть и другие способы скоростной передачи данных, причем безо всяких кабелей. Это беспроводная оптическая связь, как она есть. LiFi двунаправленная высокоскоростная беспроводная коммуникационная технология.


Правда, для этого способа нужна светодиодная лампочка, а не лампа накаливания. Понятно, что работает технология только в зоне прямой видимости, причем чем дальше о точки передачи данных, тем хуже связь.


Одна из первых иллюстраций, разъяснявших принцип работы системы. Здесь, как видим, наладонники вместо смартфонов

Для LiFi разработан собственный протокол, IEEE 802.15.7, который определяет три физических (PHY) уровня с разными пропускными способностями:

  • PHY I был создан для наружного применения и работает на скоростях от 11.67 Кбит/с до 267.6 Кбит/сек.
  • PHY II позволяет достигать скоростей передачи данных от 1.25 Мбит/с до 96 Мбит/сек.
  • PHY III предназначен для множественных источников с определённым методом модуляции: Color Shift Keyring (CSK), что можно перевести как Манипуляция смещением длины волны. PHY III может достигать скорости от 12 Мбит/с до 96 Мбит/сек.

Технология не получила особого распространения, но кое-где применяется. В основном, речь идет о промышленных системах, в местах с сильными электромагнитными помехами, где почти любая радиосвязь невозможна или затруднена.

А что насчет больших расстояний и беспроводной оптической связи?



К сожалению, здесь похвастаться особо нечем. Многие компании начинали тестовые испытания технологии передачи данных при помощи лазеров или иных оптических систем. Но, как правило, эти испытания не выходили за пределы лаборатории или тестовой площадки.


Например, в прошлом году разработчики из Alphabet построили в Кении экспериментальную беспроводную сеть, которая работает на основе света. Это не оптоволокно, основа системы луч света, который фокусируют на удаленной точке приема приемной станции.

Проект получил название Project Taara. В ходе его реализации удалось добиться передачи данных на расстояние примерно в 20 км без развертывания проводной инфраструктуры. Тесты показали неплохой результат. Но несмотря на это, проект потом решили закрыть.

То же самое можно сказать относительно второго проекта этой же компании, Loon. Несколько лет этот проект развивали, но буквально несколько недель назад приняли решение закрыть.

Есть менее масштабные проекты, которые были реализованы. Например, компания Koruza предлагает лазерную связь на скорости около 10 Гбит/с, но расстояние при этом не превышает 150 м. В некоторых случаях интернет-провайдеры используют лазерные трансмиттеры для обеспечения связью удаленных от основной магистрали объектов. Иногда подобные системы создают и пользователи но такие системы не слишком распространены.

Кроме того, в начале года Илон Маск рассказал о том, что спутники Starlink оснастили лазерной связью для покрытия полярных регионов. И уже через год все спутники Starlink, которые отправляются на орбиту, будут оснащаться лазерной связью.

Благодаря дополнительному виду связи широкополосный доступ в интернет получат и жители Аляски, о чем компания рассказывала в заявке для FCC.

Лазеры дают возможность спутникам держать связь не только с наземными станциями, но и друг с другом, причем неважно, где находится коллега в той же орбитальной плоскости, или в соседней. Соответственно, оператор сможет минимизировать количество наземных станций, расширяя зону покрытия удаленных регионов, где наземных станций вообще нет. Кроме того, снижается и latency, поскольку уменьшается количество посредников между спутниками и наземными станциями.

Подробнее..

Сенсорика для медицины и Умного дома лекция Станислава Полонского

04.12.2020 16:09:39 | Автор: admin

Предлагаем вашему вниманию текстовую версию видео лекции Станислава Полонского, посвященная сенсорике в Интернете вещей. Станислав - физик, кандидат физико-математических наук, начальник управления перспективных исследований и разработок в Исследовательском центре Samsung. Много лет жил и работал в США.

Это лекция вводного уровня, рекомендуется студентам и начинающим инженерам и программистам. В ней будет обзор существующих сенсоров и технологий Интернета вещей в приложениях Умного дома и персонального здоровья, а также размышления автора о том, что интересует лично его в этой сфере, и советы на будущее тем, кто еще только задумывается о создании своего устройства. Будем обсуждать, как измерять пульс, вариабельность сердечных сокращений, насыщенность крови кислородом - и можно ли превратить собственную квартиру в измеряющую среду.

Добрый день, меня зовут Стас Полонский, я представляю российское подразделение Samsung, управление перспективных исследований и разработок (Samsung Advanced Institute of Technology).

Сперва я хотел бы обратить внимание, что прежде чем говорить о сенсорах, науке, технологиях, необходимо найти потребность. Нужна ли ваша идея, нужно ли ваше приложение? Как выйти на потребителя, на людей, которым потенциально ваша идея нужна, и с чем выйти? Есть термин минимальный жизнеспособный продукт (MVP). Какие минимальные движения вы должны предпринять, чтобы проверить на практике, нужна ли ваша идея?

Моя лекция из четырех частей:

1. Потребности. Я расскажу, как мы представляем эти потребности без проверки рынков, исключительно исходя из того, что описывается в прессе. Посмотрим, как так называемая кривая шумихи Гартнера видит использование Интернета вещей. Поговорим о том, чего москвичи ожидают от Интернета вещей, более точно - от Умного города как его части. Оказывается, что людей очень сильно волнует Интернет вещей в применении к здоровью

2. Сенсоры в медицине. Я приведу примеры сенсоров, которые могут быть полезны для Интернета вещей в области персонального здоровья: как измерить пульс, как измерить электрическое сопротивление нашего организма - называется импеданс - и для чего это нужно, и, наконец, как при помощи носимых сенсоров измерить электрокардиограмму, электроэнцефалограмму.

3. Сенсоры для Умного дома. Мы поговорим о газах, о запахах, которые бывают в доме, бывают неприятными и опасными. Еще одна интересная тема - мы постоянно теряем вещи, и мне кажется, было бы абсолютно классно, если бы мы могли эти вещи находить при помощи Интернета вещей.

4. Пожелания. Мое личное мнение, какие проекты было бы классно сделать. Может быть, у них есть шанс найти своего потребителя.

Потребности

Итак, начинаем. Что такое кривая шумихи Гартнера? По оси X время слева направо, и по оси Y - ожидания.

График Гартнера. Источник - ВикипедияГрафик Гартнера. Источник - Википедия

В самом начале кривой возникают новые красивые идеи. Они плохо разработаны и пока плохо понятны. Вначале мы всегда встречаем их с энтузиазмом, и наши ожидания от технологии быстро возрастают, соответственно финансирование этих идей улучшается. Мы лучше понимаем эти идеи, и через какое-то время становится ясно, что не все из них сработают, не все из них нужны. Что начинается после достижения максимума ожиданий? Мы видим так называемую Долину смерти. Многие технологии здесь погибнут и никогда не выживут. Только часть, пройдя Долину смерти - здесь это даже не показано, потому что их так мало - в какой-то момент очень маленькая часть технологий доходит до промышленности.

График Гартнера за 2020 год. Источник: GartnerГрафик Гартнера за 2020 год. Источник: Gartner

Почему я показываю эту кривую? Здесь достаточно много технологий, связанных с Интернетом вещей. Я выделил их красным:

  • Паспорт здоровья: здесь, мы ожидаем, Интернет вещей может помочь нам.

  • Цифровой двойник человека. Очень похожая вещь. Компьютерная программа, структура данных, которая более-менее описывает, что происходит с человеком, но на каком-то примитивном уровне, скорее всего, на уровне физиологии. Необязательно таскать человека к врачам, вдруг наши алгоритмы помогут нам. Я надеюсь без врачей понять, что же происходит сейчас с человеком.

  • Технология социального дистанцирования. Очень модная, и может быть, она окажется полезной. Есть очевидный запрос и очевидно простая реализация.

Ключевые идеи, которые хотелось бы здесь донести:

  1. Интернет вещей пока еще не взлетел, пока что это много надежд, небольшие приложения, но повсеместного использования нет.

  2. Мы говорим о сенсорике Интернета вещей. Сенсорика - эта физика, и за двести-триста лет развития физики мы изобрели массу сенсоров. По всей видимости, особой нужды изобретать новые сенсоры у нас нет. Но важно посмотреть, как существующие сенсоры могут быть вписаны в новые модели, сценарии использования, которые позволят продавать. Я напоминаю: как инженеры, мы хотим не только делать вещи, но и продавать их. Этим занимается не только отдел продаж, инженеры тоже должны об этом беспокоиться.

Итак, давайте двигаться дальше. Что думает Москва? Это слайд из стратегии Москва - Умный город 2030, и здесь показаны проценты по опросам, какие технологии больше всего нас волнуют. Это на 64% персональная медицина, и на втором месте всего на два процента меньше, это Умный дом. Другие технологии в принципе не так сильно отстают по процентам.

Источник: mos.ruИсточник: mos.ru

Понятно, москвичам хочется всего и сразу, но тем не менее на первом месте это персональная медицина и умный дом. Поэтому мы и сосредоточимся на этих двух темах. Москвичи, и скорее всего все россияне и весь мир, возможно, действительно хотят иметь Интернет вещей, помогающий персональной медицине или Умному дому, но для меня пока совершенно не очевидно, что люди готовы платить за это.

Сенсоры в медицине

Сенсор пульсовой волны

Какие существующие сенсоры могут быть использованы для персональной медицины? Например, это сенсор пульсовой волны. Научное название - фотоплетизмография, часто используется аббревиатура PPG. Картинка выглядит сложно, но на самом деле это просто сечение пальца.

Источник: how2electronics.comИсточник: how2electronics.com

В зависимости от того, как сокращается сердце, наполняемость кровью в пальце может быть большой или маленькой, и это показано двух смежных картинках слева и справа. Почему это важно: когда мы пропускаем свет через палец, наполненность кровью пальца измеряется оптически, исходя из того, как свет проходит сквозь палец. Это необязательно должен быть палец, это может быть ухо или другие части тела. Мы можем вытащить пульсовую волну, она показана здесь внизу со своими характерными частями.

Источник: EuropePMCИсточник: EuropePMC

Да, это не просто синус, это сложная форма, она часто говорит врачам о том, что с нами происходит. Причем анализировать волну могут и умные алгоритмы. Что конкретно мы при помощи этого датчика измеряем? Прежде всего, пульс. Достаточно ли пульса? Не всегда. Например, можно посмотреть, насколько регулярен пульс, как часто меняется скорость сокращений сердца, это называется вариабельность (heart rate variability, HRV). Еще можно измерить насыщенность крови кислородом, эта переменная называется SpO2. Это, пожалуй, основное.

Небольшое лирическое отступление: мечта разработчиков оптических сенсоров - измерить сахар в крови. Это важно для диабетиков, это важно для контроля, как и что мы едим, но, насколько я понимаю, это очень сложная задача, и сейчас она еще не решена. Так что давайте думать больше про то, как часто сокращается наше сердце - это пульс, как меняется частота сердечных сокращений и насколько наша кровь насыщена кислородом.

Это была теория, а теперь перейдем к практике. Что можно сделать на основе сенсоров пульсовой волны? В медицине они широко используются. В поликлинике на палец надевают оптическую прищепку, и она измеряет сокращение сердечной мышцы. Но всё-таки это узкоспециализированные вещи.

Источник: stern.deИсточник: stern.de

Можно ли вытащить эти сенсоры и проникнуть на потребительский рынок? Это делается, к примеру, в носимых устройствах. Например, на корпусе часов Samsung Gear S3 Frontier есть небольшое окошечко, там стоят оптические элементы, которые светят на руку и вытаскивают эти данные.

Samsung Gear S3 FrontierSamsung Gear S3 Frontier

Я не думаю, что это очень важно абсолютно всем. Может быть, важно для атлетов. Но мы экспериментируем, смотрим, что конкретно можно сделать, какие проекты возможны. Например, в медицине пока что большинство датчиков с проводом - неприятно, неудобно, если вы лежите в кровати и повернулись на другой бок. Все ли можно сделать беспроводным через WiFi и Bluetooth? В принципе, была хорошая идея и даже есть попытки стандартизации - американское министерство здравоохранения говорит на эту тему уже несколько лет.

Что можно сделать для потребительского рынка: любопытно, что стресс и вариабельность сердечных сокращений связаны между собой, и можно оценивать стресс. Более того, существует биологическая обратная связь - знание этих характеристик может оказать влияние на наше поведение. Можем ли мы из этого сделать какую-то увлекательную игру, конечной целью которой будет, естественно, управление нашим стрессом? Мне кажется: почему бы не попытаться встроить все эти датчики в мебель, в окружающую среду, стулья, столы, это было бы интересно.

И еще чуть-чуть о возможных используемых технологиях. Частоту сердечных сокращений не обязательно смотреть измерительным прибором, прикладывая его к руке, пальцам. Видеокамера, наблюдая нас, видит, как микроскопически меняется цвет лица в зависимости от сокращений сердца. Эта информация вытаскивается, и она не такая точная, как носимый сенсор, но тем не менее может оказаться важной для отдельных приложений. Сейчас радары используются не только у военных и на аэродромах. Создаются микросхемы, которые при помощи радара могут измерять частоту сокращений. XETHRU - пример компании, которая занимается такими радарными микросхемами.

Подведу итог: если вас интересует измерение частоты сердечных сокращений, то в этой задаче используется не только оптика, но и видеокамера, и радиодиапазон.

Измеряем сопротивление

Теперь рассмотрим сенсор электросопротивления организма. По-научному это называется биоимпедансометрия. Импеданс - термин из электроники, связывает токи и напряжения. Био, потому что мы не кусок металла, не графитовый стержень - мы сложный объект, и наше сопротивление зависит от ряда факторов: насколько мы полные или тощие, сколько в нас воды; более того, на разных частотах наше сопротивления отличается, не константа.

Посмотрим несколько примеров, как измеряется импеданс. Вот эта большая колонка может находиться в клинике.

Источник: AVM Active SportИсточник: AVM Active Sport

Вот пример умных часов, которые измеряют ваш импеданс.

Источник: TomTomИсточник: TomTom

Если не вдаваться в подробные объяснения, то вот эта чашка на картинке ниже - это клетка нашего организма, и на схеме показано, что даже на уровне элементарной биологической клетки в нас есть сопротивление и емкость. Клеточная мембрана - это кожура, это стенки чашки, они фактически непроницаемы для электрического тока. С точки зрения электроники они представляют собой емкость в зависимости от того, в каком состоянии клетка принимает и выпускает ионы. Когда мы измеряем сопротивление, можно сказать многое о том, какие процессы происходят внутри нас.

Источник: EMBИсточник: EMB

Эта тема имеет много приложений: можно ли предсказать появление и развитие болезней, и так называемый основной обмен веществ, то есть сколько калорий мы сжигаем. Мы ведь сжигаем их не только, когда упражняемся в тренажерном зале, но и когда сидим, и это тоже важно знать. Как мы потребляем наши калории? Всё это широко используется для спорта, либо врачами-диетологами. Это интересные темы, они есть на рынке. Насколько они удачны или нет, тяжело судить. Но кто сказал, что у вас не будет своих хороших идей, которые бы вы смогли довести до рынка?

Я хотел бы предложить идею. Как правило, мы говорим либо о специализированном оборудовании для импедансометрии, либо про умные часыносимые устройства. А можно ли те же самые измерения проводить в окружающей нас среде? Можно ли сделать умный стол, кресло, кровать, либо даже пол, который бы проводил эти измерения? Я к этому вернусь позже, но сейчас я отмечу одну вещь. Когда мы говорим про Интернет вещей, то самое последнее, что я хотел бы сделать как инженер, это заставлять человека активно использовать датчики, обвешаться ими, надеть на шею, на уши, на руки. Не думаю, что это сработает. Мне ближе идея прозрачности, когда среда, окружающий вас мир не вызывает у вас негативных эффектов, и не заставляет вас думать - как, к чему подключиться. Мне кажется, это одно из требований к технологиям будущего. Они должны быть неинвазивными и прозрачными для нас как пользователей.

Измеряем электроактивность

Давайте перейдем к другим датчикам, связанным с нашим здоровьем: сенсор электроактивности организма. Это может быть электрокардиография: мы смотрим, как сердце ведет себя электрически, либо электроэнцефалография - это про наш мозг. Здесь очень простая теория: подключить электроды к поверхности нашего тела и смотреть, какие токи и напряжения у нас возникают. Можно измерить электрическое расстояние между различными частями тела, и чем больше измерительных точек мы используем, тем точнее будут наши измерения.

Источник: MedicalFuturistИсточник: MedicalFuturist

Тут я снова призываю помнить о том, что в быту это вряд ли сработает. Если вы в госпитале, либо вы профессиональный атлет, желающий улучшить свои показатели, то может быть, вы этим воспользуетесь. Но для большинства из нас обвешаться датчиками сложно, и вряд ли кто-то будет это делать в повседневности. Лучшее приложение, по всей видимости, будет наименее инвазивным, чтобы не не мучить пользователя бесконечным измерениями.

Давайте посмотрим, какие приложения датчиков электроактивности организма есть. Скорее всего, вы хотя бы раз в поликлинике снимали электрокардиограмму.

Источник: ECG MedicalИсточник: ECG Medical

При помощи электрических датчиков можно измерить также частоту сердечных сокращений либо вариабельность. Для атлетов очень важен режим, с какой частотой бьется сердце. В принципе, это идея старая - фитнес-трекер. По всей видимости, в будущем будут найдены способы не просто измерить свою частоту сердца, но и сделать какие-то более серьезные рекомендации, которые реально помогут человеку стать более тренированным, сбросить вес. Идея фитнес-трекера не нова, но качество современных фитнес-трекеров не идеально, поэтому я и предлагаю обратить внимание на эту тему.

Умный дом

Итак, мы обсудили три сенсора для персонального здоровья, и сейчас мы переходим к Умному дому.

Газовые сенсоры

Мне бы хотелось выделить для начала газовый сенсор. Какие газы нас волнуют? CO2 - углекислый газ. Мы не хотим находиться в помещении, где много углекислого газа. Если у нас газовая плита, то если в комнате появляется CH4 - метан - это проблема, может быть взрыв. Другие взрывчатые вещества тоже хотелось бы определять. Как это делается? Хорошо известен оптический способ, или, я бы даже сказал, спектроскопический, когда поглощение молекулами газа на определенной длине волны связано с концентрацией этого газа.

Источник: researchgate.netИсточник: researchgate.net

Бывают датчики электрохимические: взаимодействие молекул газа с поверхностью нашего электрического прибора может быть зарегистрировано электрическим способом.

Источник: OrientJChemИсточник: OrientJChem

Наиболее футуристический, и мне безумно интересен, третий вариант, когда используется система обоняния человека, насекомых, животных - биологический. Тут важно сказать, что в случае первых двух сенсоров мы можем определять только простые вещи типа углекислого газа. Клетка же, в отличие от других сенсоров, чувствительна к запахам, которые важны для людей: запах протухшего мяса, запах духов - это реально важные для нас запахи. Использовать генетически модифицированную обонятельную клетку - очень интересная тема, в ближайшем будущем возможно будут большие прорывы.

Источник: Tokyo Institute of TechnologyИсточник: Tokyo Institute of Technology

Я хотел бы обратить внимание вот на что: посмотрите, компьютеры распознают речь, зрение, это все подвластно анализу инженеров, но с запахами ситуация совсем пока не блестящая. Нам по-прежнему нужны люди-эксперты, если мы говорим про духи, никакой автоматизации распознавания запахов пока что нет. Тема исключительно интересная!

Вот идеи для студенческих проектов: отслеживание качества воздуха,углекислоты и утечки опасных газов. Еще один пример - контроль качества продуктов. У вас в холодильнике прокисло молоко, как об этом сообщить пользователю? Т.е. важно применение сенсора в неком устройстве, а не сенсор сам по себе.

Из примеров устройств. Как насчет рекуперации воздуха в помещении? Если концентрация углекислоты поднялась, не пора ли автоматически проветрить помещение? Если такие продукты на рынке есть, то насколько они идеальные, насколько они встраиваются в существующую инфраструктуру - большой вопрос. Повторюсь, важно не что-то потрясающее и новое, а что-то, что продается.

Поиск предметов

Не знаю, как вы, а я регулярно теряю вещи, поэтому любая автоматизация поиска потерянных вещей - ключей, книжек, компьютеров, собак, кошек - очень интересная тема. Опять же, нельзя сказать, что на рынке этого нет. Мы можем искать что-то вблизи, в масштабах нескольких метров, но если кошка или собака убежала, нам уже нужны километры. Вся эта тема, мне кажется, готова для коммерциализации.

Если начать с самых простых решений, то стоит сказать о пассивных RFID-метках. Это просто небольшая антенна, связанная с микросхемой, наверняка вы видели их на товарах в магазинах.

Источник: all-electronics.deИсточник: all-electronics.de

Другое решение - поставить GPS-сенсор, прикрепить его на машину или на кошку, и узнать, где она, даже во многих километрах от нас.

Источник: gps-tracking.com.uaИсточник: gps-tracking.com.ua

А если необходимо будет искать потерянные вещи на больших расстояниях? Скорее всего нам понадобятся батарейки. Хорошо, если батарейки хватит на несколько месяцев, но, например, в случае GPS-геолокации, она может служить только пару дней. И это плохая новость для нас, инженеров. Для такого кейса неприемлемо, чтобы пользователь часто менял или заряжал батарейку, и это нерешенная проблема. Если вначале я говорил, что для сенсоров все технологии известны и нужно найти лишь приложение для них, то здесь я бы сказал, что есть место для хорошей физики и радиоэлектроники.

Какие еще идеи для проектов я бы хотел предложить? Может быть, это звучит футуристически, но если будет решена проблема с батарейками и мы можем пометить вещи, то возможно компьютерная система сможет навести порядок, если вы не способны сделать это сами? Может ли система запомнить, что такое порядок, когда вещи находятся на своих местах, и если вдруг вещь окажется не на своем месте, система вежливо нас попросит положить эту вещь на место? Это реально моя любимая идея, мне кажется, здесь очень большие приложения, потому что мы не самый аккуратный биологический вид на этой планете, и мы постоянно боремся с бардаком в доме и на работе. Если мы сможем электронным способом навести порядок, это было бы классно.

Заключение

Итак, давайте посмотрим, о чем мы сегодня говорили. Мы поговорили о том, какие направления Интернета вещей нам интересны: это персональное здоровье, это Умный дом. Мы коротко обсудили, какие сенсоры для этого используются и дали примеры, как эти сенсоры могли бы быть встроены в приложения, которые потенциально могут найти своих потребителей.

Я хотел бы дать вам несколько рекомендаций. Прежде всего - ориентироваться на коммерческий успех. Если вы инженер, я бы не рекомендовал слишком сосредотачиваться на науке, на формулах. Начните с покупателей ваших идей. Инженерия - это не просто создание вещей, она начинается с продаж. По моему мнению, инженер, не думающий о продажах, по всей видимости, не самый лучший инженер.

Далее, при создании ваших решений Интернета вещей, я рекомендую руководствоваться следующими принципами.

  1. Прозрачность: ваше решение не должно менять стиль жизни, образ жизни потребителя. У людей уже есть наработанные привычки, и если для использования вашего нового продукта их нужно поменять, вряд ли они будут пользоваться вашим устройством. Поиграться с ним - да, но вашим постоянным потребителем он вряд ли станет.

  1. Беспроводность: если у вашего устройства есть провод, скорее всего, вы не сможете это никому продать. И тут возникнет беспроводная передача и мы переходим к третьему принципу.

  2. Защита данных. Используйте криптографию с самого начала; что бы вы ни делали, ваши данные должны быть защищены! Тем более, если мы говорим о таких чувствительных вещах, как персональная медицина.

  3. Эффективное энергопотребление. Как я уже говорил, если вы хотите использовать батарейки, подумайте, как часто потребитель захочет менять их? Ваш продукт должен быть настолько энергоэффективным, чтобы он работал на батарейке многие годы, либо вы могли использовать методы передачи энергии на расстоянии.

Я хотел бы завершить лекцию, с моей точки зрения, идеальным устройством - Умной розеткой! Реально, когда я думаю про умную розетку, она удовлетворяет всем принципам, о которых я только что говорил: прозрачность и беспроводность. По определению, в розетке всегда есть электричество, вам не нужно думать о батарейках. Вы не добавляете ничего нового, вы не навешиваете ничего на себя. И если в этой розетке сделать модульную систему и добавить разъемы для новых расширений, мне кажется, это могло бы быть удачной идеей для стартапа.

Повторяю, это не новая вещь. Но умные розетки есть пока что не в каждом доме - в ваших руках сделать так, чтобы умные розетки были везде. Какие расширения этой розетки можно предложить? Из примеров по Умного дома: это датчики газов. Можно встроить поиск предметов в розетку. Чтобы найти положение вещей, нужно делать триангуляцию, то есть посмотреть расстояние до разных розеток, и узнать, где находится эта вещь, и мне кажется, в случае розеток это абсолютно возможно.

Источник: astra-media.byИсточник: astra-media.by

Если есть вопросы, пишите в комментариях. Я и мои коллеги в Samsung Research Russia всегда рады пообщаться с талантливыми интересующимися людьми.

Видео лекции

Авторы

Станислав Полонский Начальник управления перспективных исследований и разработок Исследовательского центра Samsung

Татьяна Волкова Автор учебной программы трека по Интернету вещей IT Академии Samsung, специалист по программам корпоративной социальной ответственности Исследовательского центра Samsung

Ссылки

Если вам понравился материал, то ознакомьтесь и с другими статьями тех же авторов:

  1. Статья Татьяны Волковой График Гартнера 2019: о чём все эти модные слова?

  2. Статья Станислава Полонского 5G - где и кому он нужен?

Подробнее..

Ученые создали Lamphone используя фотодиод и телескоп исследователи превратили лампочки в жучки для прослушки

01.07.2020 02:19:17 | Автор: admin
Если вы впечатляетесь оригинальностью разработок Льва Термена в области скрытого съема звуковой информации, иными словами, прослушки, такими как Буран и Златоуст, вас, наверняка, впечатлит описанный ниже опыт израильских исследователей. Бен Насси (Ben Nassi), Аарон Пирутин (Yaron Pirutin), Ювл Эловици (Yuval Elovici), Борис Задов (Boris Zadov) из университета Бен-Гуриона в Негеве (Ben-Gurion University of the Negev), а также Ади Шамир (Adi Shamir) из Вайзмановского научного института (Weizmann Institute of Science) разработали устройство, способное дистанционно прослушивать речь и другие звуки по вибрациям лампочки, висящей под потолком. Устройство расшифровывает данные в реальном времени и позволяет получать информацию практически мгновенно.


Немного об истории фотоакустической прослушки


Корнями методы прослушки такого типа уходят в глубь вековисследования инженера закрытого туполевского КБ и пионера электронной музыки, Льва Термена. Который ещё в середине сороковых годов прошлого столетия разработал систему Буран, которая при помощи отраженных ИК-лучей была способна осуществлять прослушку по вибрации оконных стекол. Этот же принцип в дальнейшем лег в основу лазерных микрофонов. Однако метод был не совершенен. Наличие звукопоглотительных преград перед источником звука предотвратило достаточное дрожание стекла для того, чтобы осуществлять сколько-нибудь полезный съём информации.


лазерный микрофон конца 80-х

Появление видеокамер с высоким разрешением и частотой обновления кадров открыли новые возможности для прослушки. Звуковые волны, сталкиваясь с поверхностью предметов, вызывают незаметные глазу колебания.



Для их распознания может применятся камера с высоким разрешением и частотой обновления кадров от 60 fps. Три года назад группа исследователей из Массачусетского технологического смогли преобразовать видео, снятое с частотой 2200 fps в звук мелодии, которая проигрывалась в помещении в момент съемки. В дальнейшем было обнаружено, что с меньшей эффективностью метод можно применять даже с частотой обновления 60 fps.



У этого метода также были ограничения. Во первых это стоимость камер с высокой и сверхвысокой частотой обновления. Во вторых есть проблемы со скоростью обработки изображения, снятого с такой частотой кадров, объемные видеофайлы требуют долгой обработки, длительность которой напрямую зависит от аппаратных мощностей. Это ограничивает возможность использования метода realtime.
Камеры с существующим разрешением практически не позволяют использовать съём на значительном расстоянии, ограничивая его 5-6 метрами до объекта.

Суть нового метода


Израильские ученые решили усовершенствовать метод американцев, сфокусировали съем на конкретном объекте при помощи телескопа и заменили дорогую камеру на недорогой фотодиод. Дрожание воздуха при разговоре вызывает микровибрации лампочки, что в свою очередь вызывает не заметные, но существенные для чувствительной аппаратуры изменения освещённости. Свет улавливается телескопом и преобразуется фотодиодом в электрический сигнал. При помощи программного аналогово-цифрового преобразователя сигнал записывают в виде спектрограммы, которая обрабатывается написанным исследователями алгоритмом и затем конвертируется в звук.

Работоспособность метода исследователи проверили лабораторным опытом, в котором прикрепили к лампочке гироскоп и воспроизводили звуки с частотой от 100 до 400 Гц в одном сантиметре от объекта. Колебания лампочки были небольшими и составляли от 0,005 до 0,06 градуса (отклонение составляла в среднем от 300 до 950 микрон), но главное было в том, что они значительно отличались в зависимости от частоты и уровня звукового давления, а соответственно, существует зависимость колебаний от характеристик распространяющихся звуковых волн.



Колебания в вертикальной и горизонтальной плоскости были очень маленькими (300950 микрон), но изменялись в зависимости от частоты и громкости подаваемого звука, что означает, что лампочка, пусть и едва заметно, но все же колеблется от распространяющихся рядом звуковых волн, а ее колебания зависят от их характеристик.

Измерения и эксперимент


Измерения данных с фотодиода показали приблизительные изменения тока при колебаниях лампочки на разных расстояниях между ней и телескопом. Выяснили, что при использовании 24-битного преобразования колебания лампочки на 300 микрон в плоскости вызывают изменение напряжения на 54 микровольта, чего вполне достаточно для передачи тестового спектра (100 400 Гц) на значительном (несколько десятков метров) расстоянии при помощи оптики использованного телескопа. Также отсутствие звука отражается на спектрограмме оптического сигнала от лампочки в виде пика в 100 Герц (что вызвано её частотой мерцания). Эту особенность также внесли в алгоритм.



Сам алгоритм действует последовательно. На первом этапе он работает как фильтр информационно не значимых частот, таких как частота мерцания, а затем выделяет спектр, соответствующий речи. После этого устраняет частотные признаки посторонних шумов, подобно стандартным денойзерам в диктофонах и студийных рекордерах. Обработанная таким образом спектрограмма конвертируется в звук сторонней программой.



Созданный учеными Lamphone в текущей версии позволяет в реальном времени восстанавливать речь и музыку из помещения, находящегося в 25 метрах от места наблюдения. Это объективно доказано следующим экспериментом, установку, оснащенную любительским телескопом с 20-см объективом установили на мосту, в 25 метрах от окна в комнату, где размещалась лампа. Неподалеку от лампы воспроизвели песни The Beatles Let It Be и Coldplay Clocks, а также запись фрагмента речи Д.Трампа с фразой We will make America great again.



В итоге, записи звука, восстановленные по спектрограммам оказались вполне различимыми, мелодии без труда угадывались сервисом Shazam, а слова распознавались открытым API Google для распознавания текста.

Сухие остатки


Устройство работает. Ни о чем подобном раньше никем не сообщалось. Это в чем-то упростит работы спецслужб, а всем, кому есть чего опасаться, следует принимать новые меры предосторожности. Пока не ясно, сможет ли работать система с чем-то кроме подвижного источника света. Израильские исследователи планируют продолжить свои изыскания.

Использован визуальный контент и материалы
Подробнее..

Объединение отрицательно заряженных частиц за счет фотонов

26.08.2020 10:09:33 | Автор: admin


Противоположности притягиваются. Этот житейский принцип, касающийся отношений между людьми, далеко не всегда соответствует действительности. Но в физике все так, как говорится: противоположные электрические заряды, к примеру, всегда притягиваются, а сходные отталкиваются. Этот принцип стар, как сам мир, но и его можно подвергнуть некой модификации, если применить другие физические законы и явления. Группа ученых из Саутгемптонского университета (Великобритания) провели исследование, в котором им удалось создать новый тип материала, названный фотонно-связанный экситон. Самый смак заключается в том, что фотоны стали связующим звеном между отрицательно заряженными электронами, которые по логике должны были отталкиваться. Как именно были использованы фотоны, какие особенности изобретенного атома, и в каких областях может использоваться данная разработка? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования


Как мы уже вспомнили, одноименные заряды (т.е. одинаковые: ++ или -) должны отталкиваться друг от друга, а разноименные (т.е. противоположные: +- / -+) притягиваться. Однако картина такого взаимодействия меняется, если добавить щепотку фотонов, т.е. частиц света. В таком случае добавляется влияние фотоэффекта взаимодействия света и материи, когда энергия фотонов передается материи.

В данном труде ученые создали наноустройство, которое захватывает электроны в наноразмерные квантовые ямы*. Если же фотоны вносят в устройство достаточно много энергии, то это приводит к выходу из ямы электронов. Разместив данное устройство между двумя золотыми зеркалами, можно поймать фотоны в ловушку. За счет этого энергия фотонов будет сфокусирована на электроны, усиливая взаимодействие между светом и материей. Добавление зеркал привело к тому, что отрицательно заряженные электроны оставались в яме (без зеркал фотоны вытесняли их из ямы) и начинали связываться друг с другом.
Квантовая яма* потенциальная яма, ограничивающая подвижность частиц с трех до двух измерений (т.е. частицы начинают двигаться в плоском слое).
Важнейшую роль в работоспособности всей системы, естественно, играют вышеописанные квантовые ямы (QW от quantum well). По словам ученых, на то есть ряд причин.

Во-первых, QW позволяют достичь большей силы связи между светом и материей, которую можно регулировать за счет изменения электронной плотности* в QW.
Электронная плотность* в квантовой механике мера вероятности того, что электрон займет бесконечно малый элемент пространства, окружающего любую условную точку.
Во-вторых, квантовые ямы можно сделать достаточно узкими, что позволит получить одну локализованную электронную подзону, которая не будет иметь никаких межподзонных переходов.

В-третьих, в подобной системе кулоновское взаимодействие не создает связанных состояний.

Из последних двух пунктов следует, что чистые квантовые ямы без окружающего фотонного резонатора вообще не представляют какого-либо дискретного резонанса, а только полосу непрерывного поглощения на частотах, превышающих порог ионизации.

Отсутствие кулоновского взаимодействия обосновано квазипараллельной дисперсией двух электронных подзон, что приводит к отталкивающему электронно-дырочному взаимодействию*.
Электронно-дырочное взаимодействие* (p-n взаимодействие) область соприкосновения двух частиц с разными типами проводимости дырочной (p от positive положительная) и электронной (n от negative отрицательная).
Это сильно отличается от случаев межзонных переходов на более коротких длинах волн, где электронно-дырочное взаимодействие является притягивающим и приводит к созданию узких резонансов вне электронно-дырочного континуума в отсутствие поляритонных эффектов.

Таким образом, формирование поляритонов* может изменять существующие резонансы, но не приводит к созданию новых локализованных электронных резонансов.
Поляритон* частица, являющаяся результатом взаимодействия фотона и возбуждений среды (оптические фононы, экситоны, плазмоны, магноны и т.д.).



Изображение 1: Кулоновский эффект в легированных и нелегированных квантовых ямах. межзонное поглощение нелегированной полупроводниковой квантовой ямы, в котором преобладает экситонный резонанс (EX) ниже энергии запрещенной зоны (EG) и электронно-дырочный континуум над ним; 1b стандартное электронно-дырочное картирование, позволяющее описать одиночную электронную вакансию в валентной зоне как дырку с положительным зарядом и массой; межподзонное поглощение легированной квантовой ямы, содержащей только одно локализованное состояние, и континуум состояний выше первой энергии ионизации квантовой ямы (EI); 1d первоначально заполненная подзона электронов имеет положительную эффективную массу, а электрон-дырочное картирование приводит к положительно заряженной дырке с отрицательной эффективной массой.

Изображения выше являются схемой вышеописанного явления. В случае межзонных переходов в нелегированных квантовых ямах участвующие в переходе электроны изначально занимают валентную зону с отрицательной эффективной массой. Однако в случае межподзонных переходов в легированных квантовых ямах ту же роль играет первая частично заполненная подзона проводимости, имеющая положительную эффективную массу*. При обычном электронно-дырочном картировании это приводит к положительно заряженной дырке с отрицательной эффективной массой.
Эффективная масса* величина, имеющая размерность массы и применяемая для описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла.
Эффективная масса электронов в возбужденной подзоне m2 в квантовых ямах GaAs больше массы в первой подзоне m1. Это приводит к отрицательно сниженной массе межподзонной электронно-дырочной пары mr-1 = m2-1 m1-1.

При наличии любого притягивающего потенциала двух тел отрицательная масса приводит к отталкивающему электронно-дырочному взаимодействию, которое, в свою очередь, не может создавать связанные состояния.

Для практического подтверждения наличия связанных состояний, опосредованных фотонами, была создана система, состоящая из 13 квантовых ям GaAs / AlGaAs, встроенных в узкие решетчатые золотые микрополостные резонаторы.


Изображение 2: схема экспериментальной установки. распределение компоненты электрического поля, ортогональной металлическим слоям, для одного периода (D) структуры и для моды TM02 ленточного резонатора; 2b микроскопия набора образцов; экспериментальная установка, используемая для измерений отражательной способности (микроскоп среднего инфракрасного диапазона, подключенный к Фурье-ИК-спектроскопу.

Резонаторы представляют собой одномерные ленты, а электромагнитное поле (схема на ) почти полностью удерживается под металлическими штифтами.

Размеры квантовых ям были достаточно тонкими, чтобы была лишь одна захваченная подзона проводимости, поскольку наличие второй подзоны привело бы к созданию межподзонных поляритонов.

Если бы было две подзоны, то наличие перехода типа связь-связь привело бы к насыщению имеющейся силы осциллятора, что привело бы к подавлению связь-континуумного перехода, который и должен изучаться в данном тесте.

Для проверки этого важного параметра было изготовлено два образца HM4229 и HM4230, различающиеся шириной квантовой ямы и легированием. Образец HM4229 содержал квантовые ямы GaAs толщиной 4 нм (с шириной LQW = 4 нм), каждая из которых легирована с плотностью 5 х 1012 см-2. А образец HM4230 содержал квантовые ямы (LQW = 3.5 нм), легированные при 4.77 х 1012 см-2.


Изображение 3: связь-континуумный характер оптического перехода в чистых QW без окружающего фотонного резонатора. измерение пропускания при 300 K для образцов с QW разной ширины LQW; 3b-3e схемы связь-связь (3b и 3c) и связь-континуумных переходов (3d и 3e) в легированных квантовых ямах.
Переход связь-связь* изменение энергии электрона внутри атома или, реже, внутри молекулы, при котором электрон остается прикрепленным (связанным) к атому или молекуле как до, так и после изменения.

Связь-континуумный переход* (переход связь-континуум) возбуждают носителей в токопроводящие состояния континуума и позволяют использовать перпендикулярный транспорт (носители, движущиеся через переход).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)
На схемах 3b- видно, что переходы разных типов (связь-связь и связь-континуум) в разных одночастичных состояниях QW потенциала претерпевают противоположные частотные сдвиги при уменьшении LQW: у первых возникает синее смещение*, у вторых красное смещение*.
Синее смещение* явление, когда уменьшается длина волны излучения, а частота увеличивается.

Красное смещение* явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.
Это позволило оценить природу оптического перехода за счет анализа спектра пропускания двух образцов до применения золота ().

Здесь наблюдается очень широкое поглощение, которое (будучи поперечной магнитной поляризацией) связано с легированными квантовыми ямами. Также наблюдается и более узкая область около 140 мэВ, которая является краем континуума. Ученые отмечают, что данная функция не приводит к синему смещению при уменьшении LQW, а показывает перенос спектрального веса в красную часть спектра. Связь-связь переход в таком случае привело бы к синему смещению порядка десятков миллиэлектронвольт, доказывая привязанный к континууму характер переходов в чистых QW.

Как уже упоминалось ранее, все образцы были изготовлены в рамках решетки металл-полупроводник-металл и металлических штифтов с шириной р ( и 2b). Поскольку электромагнитное поле чрезвычайно локализовано под металлическими пальцами, система по существу ведет себя как резонатор ФабриПеро*.
Резонатор ФабриПеро* оптический резонатор, в котором параллельно расположенные зеркала направлены друг на друга. Между этими зеркалами может формироваться резонансная стоячая оптическая волна.
Было изготовлено несколько устройств на основе решеток площадью 200 х 200 мкм с шагом в диапазоне от 800 нм до 5 мкм, что позволяет охватить широкий диапазон частот (2b). Данные по отражательной способности были получены для каждого устройства при температуре 78 К посредством Фурье-ИК-спектроскопа, оснащенного очень компактным криостатом (2c).


Изображение 4: экспериментальные данные по отражательной способности. данные по отражательной способности легированного образца HM4229 в зависимости от частоты резонатора; 4b данные отражательной способности для HM4229 (красный) и чистого резонатора (зеленый) для частот с = 157.8 мэВ (сплошные линии), с = 147 мэВ (пунктирные линии) и с = 141.5 мэВ (штрихпунктирные линии); ширина линий для различных колебаний как функция энергии колебаний.

Результаты данного анализа представлены на графиках выше. На представлена карта отражательной способности образца HM4229 при 78 К как функция частоты чистого резонатора. Если выше порога ионизации (показан черной горизонтальной пунктирной линией) наблюдается континуум поглощения, то ниже появляется узкий поляритонный резонанс. Он сдвинут в красную сторону более чем на 20 мэВ по отношению к чистому резонатору.

На цветовую карту были нанесены пиковые частоты, полученные с помощью множественной аппроксимации данных методом Лоренца. Красные треугольники и синие квадраты отображают соответственно частоты ниже и выше идентифицированного порога ионизации. Для сравнения зелеными кругами отмечена частота чистого резонатора, измеренная на нелегированном образце.

Ниже порога ионизации время жизни дискретной поляритонной моды в основном ограничивается временем жизни резонатора. Выше заметен спектр связь-континуум, в котором можно идентифицировать только очень расширенные и неопределенные особенности.

Сравнение спектров легированных и нелегированных образцов показало, что в легированном образце возникает дискретный резонанс ниже края континуума, тогда как в идентичном, но электромагнитно несвязанном образце его нет.

Подобное гибридное дискретное состояние можно описать как поляритон, плотность электронов которого относительно основного состояния равна:
N(z) = P [|e(z)|2 |g(z)|2]
где Р (в диапазоне 01) вес поляритонного компонента материи; g(z) нормированная волновая функция электрона в его основном состоянии; e(z) волновая функция локализованного электронного состояния, порожденного взаимодействием света и материи.


Изображение 5: расчеты P. собственные моды, полученные с помощью теоретической модели с параметрами, выбранными для соответствия экспериментальным данным отражательной способности на цветовой карте; 5b параметры, извлеченные из 5a, которые используются для расчета P для дискретной поляритонной моды.

На визуально отображен результат использования теоретической модели для моделирования наблюдаемого спектра отражательной способности и сравнения его с экспериментальными данными. Эти параметры позволили рассчитать Р (5b).

Из этого модели следует, что дискретный резонанс ниже порога ионизации четко определяется для ненулевых значений P, демонстрируя существенное заполнение генерируемой светом электронной волновой функции e(z).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


Данный эксперимент позволил продемонстрировать возможность связывания ионизирующего перехода с фотонным резонатором, что приводит к непертурбативной модификации электронной структуры системы.

В результате получается гибридное поляритонное возбуждение, материальная составляющая которого представляет собой связанное состояние, порожденное взаимодействием света и материи, состоящего из электрона и дырки, удерживаемых вместе благодаря их взаимодействию с поперечным электромагнитным полем.

Как заявляют ученые, возможность настраивать свойства материала за счет связи с фотонным полем микрорезонатора является крайне перспективным направлением.

В данном труде они смогли создать устройство, ограниченное с двух сторон золотыми зеркалами, которые улавливали фотоны и фокусировали световую энергию на электроны, что резко усиливало связь между светом и материей. В ходе экспериментов было замечено, что отрицательно заряженный электрон, выброшенный фотоном, остается в ловушке в квантовой яме, связанный с другими отрицательно заряженными электронами. При этом такая конфигурация остается стабильной за счет воздействия фотонов.

Другими словами, данное исследование показывает возможность создания искусственных атомов нового типа, электронные конфигурации которых можно будет настраивать по собственному желанию.

Фотоника является достаточно молодой отраслью науки, но при этом ее влияние с каждым годом растет, что обусловлено подобного рода исследованиями. Свет, как и многие другие явления, можно сравнить с котом Шредингера: с одной стороны все понятно и очевидно, но если копнуть поглубже, то становится очевидна простая истина сколько бы ответов не получал человек, вопросов всегда будет больше. Тем не менее в поисках ответов на вопросы, по крайней мере в науке, важен не столько сам ответ, сколько путь, ведущий к нему.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Математика палитры почему не бывает красного структурного цвета

16.09.2020 10:17:24 | Автор: admin


Многие считают, что основными инструментами художника являются кисточка, мольберт и палитра. Однако это лишь средства, позволяющие использовать истинный инструмент цвет. Наш мир полон красок всех мастей, от огненно-красного до морозно-синего. Цвет предметов и окрас живых организмов является результатом ряда физических и/или химических процессов. Учитывая разнообразие цветов, порой сложно понять разницу в механизмах из происхождения. Ученые из Кембриджского университета решили выяснить, почему структурные цвета, зависящие от наноразмерной архитектуры поверхностей, а не от химических пигментов, не бывают красных оттенков, а лишь синих или реже зеленых. В чем секрет такого цветового ограничения и как именно удалось установить истину? Пролить свет на эти вопросы нам поможет доклад ученых. Поехали.

Основа исследования



Примеры структурных цветов в природе: А гибискус тройчатый (Hibiscus trionum); В жук тамамуси (Chrysochroa fulgidissima); С бабочка вида Morpho rhetenor; D комар обыкновенный (Culex pipiens); Е морская мышь (Aphrodita aculeata); F жук вида Pachyrhynchus argus; G бабочка вида Parides sesostris

Структурный цвет является результатом интерференции света, который рассеивается наноразмерными непоглощающими элементами поверхности. Это более физический процесс, нежели химический, как в случае с пигментацией, где цвет зависит от избирательного поглощения по длине волны.

У структурных цветов имеется множество преимуществ по сравнению с пигментными:

  • не обесцвечиваются, так как цветообразование определяется архитектурой, а не составом;
  • могут быть изготовлены из экологически чистых материалов;
  • достигают нетрадиционных цветовых эффектов, от яркого металлического до изотропного оптического отклика.


Изображение 1

Учитывая положительные свойства структурных цветов, было разработано множество методик по их воссозданию, а точнее методик создания иерархических структур или структур ближнего упорядочения с независимыми от угла цветами. Результатом таких разработок стало фотонное стекло (PG от photonic glass), которое имеет биологический эквивалент в виде оперения многих птиц (изображение выше).

Нюанс в том, что в природе структурные цвета бывают лишь синих оттенков. Красные и зеленые цвета, как правило, достигаются с помощью структур с дальним упорядочением или с использованием пигментации. Конечно, существуют техники, позволяющие создать искусственный структурный красный оттенок. Однако, как заявляют авторы сего труда, оптические свойства у материала такого цвета крайне плохи.

Возникает вопрос можно ли в принципе создать полноценный структурный красный цвет? Дабы ответить на этот вопрос, ученые решили использовать численный подход, который обеспечивает прямой доступ к спектру отражения произвольной структуры и позволяет исследовать промежуточные режимы рассеяния, то есть между однократным рассеянием и диффузионным поведением.

Результаты исследования


Для начала посредством численного алгоритма были созданы варианты фотонного стекла (прямое и инверсивное) с различными свойствами рассеивания и структурной корреляцией (структурным фактором*).
Структурный фактор* математическое описание того, как материал рассеивает падающее излучение.
Следом были проведены расчеты оптических свойств сгенерированных структур с использованием метода конечных разностей во временной области. Созданная модель была намеренно ограничена двумерным пространством, так как подобные структуры чаще всего встречаются в природе (изображение выше). Концентрация внимания на двумерной структуре также позволяет расширить спектр изучаемых параметров, при этом ограничивая вычислительные затраты. Тем не менее ученые уверены, что полученные результаты можно применить и для описания трехмерных структур.

Если поглощение отсутствует, то рассеяние в фотонном стекле возникает в результате взаимодействия между характеристиками индивидуальных частиц (размер, форма и показатель преломления) или за счет взаимодействия между свойствами группы частиц (доля заполнения и структурные корреляции).


Изображение 2

В случае прямых PG в отражении преобладают резонансы Ми*, определяемые свойствами рассеивателя (). Таким образом, отраженный цвет можно изменить на видимый, изменив размеры рассеивателя.
Резонанс Ми* увеличение интенсивности рассеянного на сферической частице излучения для определенных длин волн, сравнимых с размерами частицы (назван в честь Густава Ми, 1868-1957).
Однако по мере увеличения размера частиц пик резонанса Ми смещается в красную сторону, и второй пик появляется в синей части спектра, что соответствует резонансной моде более высокого порядка. А вот в рассеянии света в инверсивных PG преобладают структурные корреляции (2B). Пик отражения, положение которого хорошо соответствует предсказаниям закона Брэгга*, более выражен, чем в прямых структурах.
Дифракция Брэгга* явление сильного рассеяния волн на периодической решетке рассеивателей при определенных углах падения и длинах волн.

Формула закона Брэгга: n = 2d sin , где d период решетки; угол падения волны; длина волны излучения; n число волн.
Появление отдельного пика в видимом спектре демонстрирует, что использование инверсных PG является эффективной стратегией для минимизации форм-фактора в общем оптическом отклике системы в пользу структурных вкладов.


Зависимость изотропного структурного цвета от показателя преломления для прямого (сверху) и инверсивного (снизу) PG соответственно.

Изменение показателя преломления влияет на взаимосвязь между вкладами формы и структуры. В системах с высоким показателем преломления преобладают резонансы форм-фактора, которые не позволяют им достичь хорошей чистоты цвета в красной области спектра как для прямых, так и для инверсных PG. Для прямых систем, даже когда контраст показателя преломления низкий, резонансы форм-фактора приводят к усиленному отражению на коротковолновой стороне структурного пика. Напротив, в случае инверсивных PG видно, что структурный фактор формирует хорошо разделенный пик в видимом спектре, даже в красной области длин волн.

Из этого следует вывод, что инверсивные PG с низким показателем преломления могут превосходить прямые PG с точки зрения чистоты цвета и насыщенности.


Изображение 3

Уменьшение контраста показателя преломления между матрицей рассеяния (nm) и центрами рассеяния (np) может еще больше способствовать структурному вкладу. На видно, что увеличение np приводит к широкополосному снижению коэффициента отражения и красному смещению структурного пика. Структурный пик уменьшается по ширине и имеет более высокую интенсивность по сравнению с его фоном, что приводит к лучшей чистоте цвета.

Уменьшение контраста показателя преломления снижает роль многократного рассеяния, которое так или иначе присутствует в неупорядоченных системах. Это ограничивает изотропные структурные цвета режимом распространения света между диффузным рассеянием* и баллистическим переносом*.
Диффузное рассеяние* рассеяние, возникающее в результате любого отклонения структуры материала от структуры идеально правильной решетки.
Баллистический перенос* беспрепятственный поток носителей заряда (обычно электронов) или несущих энергию частиц на относительно большие расстояния в материале.
Многократное рассеяние становится преобладающим при увеличении толщины образца, что приводит к широкополосному ненасыщенному отклику.

Соответствующие наблюдения также можно применить и к рассеивателям со сложной геометрией. Как уточняют ученые, в их предыдущих работах была представлена идея использования частиц ядро-оболочка* для разделения вкладов форм-фактора и структурного фактора и достижения отдельного пика в длинноволновой области спектра.
Частица ядро-оболочка* частица, ядро и оболочка которой отличаются по составу, морфологии и функциональному назначению.
На изображении показано, что уменьшение размера центра рассеяния (ядра) при сохранении длины структурной корреляции приводит к увеличению интенсивности и ширины длинноволнового (структурного) пика. В то же время коротковолновый вклад резонансов Ми смещается в сторону ультрафиолета.

На показано, что пониженный контраст показателя преломления может подавить многократное рассеяние, в то время как разделение вкладов форм-фактора и структурного фактора возможно через частицы ядро-оболочка ().

Объединение обоих методов показано на . Это позволяет получить более высокие значения чистоты и насыщенности цвета за счет хорошо разделенных пиков в длинноволновой части видимого спектра.

На следующем этапе исследования ученые уделили внимание оценке насыщенности и чистоты цвета. Для количественной оценки этих параметров спектры отражения прямых, инверсивных PG и ядер-оболочек были преобразованы в цветовые оттенки. Чистоту цвета можно определить как нормализованное расстояние от белой точки на диаграмме цветности по отношению к красной точке (в случае красных цветов). Насыщенность количественно определяет, насколько интенсивность отраженного света распределяется по спектру с разными длинами волн.


Изображение 4

На 4A различные системы для оттенков красного нанесены на диаграмму цветового пространства CIE XYZ. На 4В вычислены соответствующие значения чистоты и насыщения.

Стоит отметить, что все инверсивные PG демонстрируют более высокие значения чистоты и насыщенности цвета, чем красные оттенки прямых PG. Однако включение в систему частиц ядро-оболочка не приводит к значительному улучшению по сравнению со стандартным инверсивным PG. Если же объединить оба подхода, то можно получить более высокие показатели чистоты и насыщенности. Тем не менее они будут гораздо ниже, чем у реального красного цвета (т.е. из модели КЗС красный, зеленый, синий).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог


В данном труде ученым удалось продемонстрировать, что фотонные стекла имеют внутренние ограничения в достижении насыщенных красных оттенков. Это обусловлено взаимодействием между резонансом, связанным со структурным фактором, рассеянием, связанным с форм-фактором, и фоном многократного рассеяния. Подобный фундамент позволяет легко достичь структурного цвета в УФ-синем диапазоне, но не в случае больших длин волн.

Также было доказано, что высокая чистота и насыщенность цвета для красных оттенков не могут быть достигнуты в изотропных структурах ближнего упорядочения, даже в случае сложных морфологий рассеивателя.

По словам ученых, подобные наблюдения могут свидетельствовать о том, что природа была вынуждена (образно выражаясь) создать альтернативные пути формирования красных оттенков (например, многослойные или алмазные структуры).

Объединение нескольких подходов по созданию структурного цвета красных оттенков может улучшить показатели чистоты и насыщенности, но их все же недостаточно для достижения реального красного цвета.

Также было установлено, что из-за сложного взаимодействия между однократным и многократным рассеянием, желтый и оранжевый, помимо красного, также сложно получить в аспекте структурных цветов.

Подобные исследования позволяют лучше понять структурные цвета, а также выработать новые методики по созданию материалов, способных быть основой для тех оттенков, что не встречаются в естественных структурных цветах. Помочь в этом, по мнению авторов исследования, могут новые типы наноструктур (например, сетевые или многослойные иерархические структуры).

Как бы то ни было, работа над структурными цветами будет продолжаться и дальше. Современные методики изучения наноразмерных структур и средства их воссоздания позволяют детальнее описать процессы, протекающее в материале, что, естественно, способствует достижению контроля над этими процессами.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Сверхскоростная съемка 15 триллионов кадров в секунду

23.09.2020 10:08:04 | Автор: admin


Каждую секунду вокруг нас протекает множество физических и химических процессов, которые крайне сложно зафиксировать. Сложность заключается не только в габаритах участвующих объектов, но и в скорости самих процессов. В современных исследованиях большую роль играет скоростная съемка, позволяющая запечатлеть сверхбыстрые динамические явления. Но даже у такой технологии есть свой предел, который утрировано можно обозначить кадрами в секунду. Ученые из университета Шэньчжэня (Китай) смогли создать исключительно оптическую систему, способную достичь 15 триллионов кадров в секунду. Какие техники и явления были использованы в данной разработке, что показали практические опыты, и где данное творение может найти свое применение? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Высокоскоростная визуализация является неотъемлемым инструментом изучения таких шустрых динамических процессов как фемтосекундная лазерная абляция, распространение лазерных филаментов, молекулярная динамика, взаимодействие ударных волн в живых клетках и т.д.

Вполне ожидаемо, что сверхбыстрая оптическая визуализация, которая может обеспечить визуализацию переходных процессов без размытия, является желанным инструментом для ученых из самых разных областей науки (химия, физика, оптическая инженерия, материаловедение, биомедицина и т.д.).

На данный момент уже существует ряд методик, позволяющих достичь вполне неплохих результатов в области оптической визуализации. К примеру, визуализация с временным разрешением, основанная на методах накачки и зондирования, отлично справляется с воспроизводимой переходной динамики с высокой частотой повторения. Однако данная методика теряет свои преимущества при работе с процессами, которые имеют низкую частоту повторения или не повторяются вовсе.

Заменить метод накачки-зондирования можно однократной оптической визуализацией. В некоторых работах удавалось даже достичь 25 миллионов кадров в секунду (Mfps). А вот сжатая сверхбыстрая фотография (CUP от compressed ultrafast photography) может работать с частотой кадров 0.1 триллиона кадров в секунду (Tfps) с временным разрешением ~ 50 пс за счет применения алгоритма на основе алгоритма компрессионного зондирования* (compressive sensing).
Компрессионное зондирование (compressive sensing)* методика получения и восстановления сигнала за счет знания о его предыдущих значениях, которые разрежены или сжаты.
Пространственное разрешение такого метода может быть масштабировано до 7 lp/mm (пар линий на миллиметр, далее пл/мм). Если же добавить 20х объектив, то получится фазочувствительная сжатая сверхбыстрая фотография (pCUP), способная выдать пространственное разрешение в несколько микрометров и скорость визуализации в 1 Tfps.

В такой методики можно достичь хороших показателей пространственного разрешения, чего нельзя сказать о временном разрешении. Следовательно, необходим метод, который сможет объединить сильные стороны вышеописанных методов воедино.

По заверению ученых, отличным кандидатом на эту роль подходит оптическое параметрическое усиление (OPA от optical parametric amplification). Применяя OPA к оптическому изображению, информацию, содержащуюся в сигнале, можно скопировать на холостое изображение. Данная особенность вдохновила ученых на создание нового метода однократной сверхбыстрой оптической визуализации, названного формированием изображения посредством неколлинеарного оптического параметрического усиления (FINCOPA от framing imaging based on noncollinear optical parametric amplification; NCOPA от noncollinear optical parametric amplification).

Неколлинеарное устройство позволяет преобразовывать информацию в последовательных кадрах в пространственно разделенные холостые изображения с помощью многокаскадных оптических параметрических усилителей, накачиваемых последовательной серией лазерных импульсов.

Данный полностью оптический метод также лишен каких-либо узких мест, связанных с активными механическими и электронными компонентами для быстрого сканирования, что критично для высокой частоты кадров.

Принцип работы системы FINCOPA




Изображение 1

Схема выше является иллюстрацией работы системы FINCOPA. Был использован импульс выборки с достаточно большой временной шириной, чтобы охватить всю информацию в целевом переходном процессе. Кроме того, последовательность ультракоротких импульсов (обозначенных как trigger-1, 2, 3 и 4) была использована для запуска и переключения информации изображения с разных временных срезов импульса выборки на другую последовательность ультракоротких импульсов (помеченных как recorded-1, 2, 3 и 4) с использованием каскадных преобразователей оптических изображений. Поскольку записанные изображения пространственно разделены друг от друга, их можно принимать разными CCD (ПЗС от прибор с зарядовой связью) камерами.

Кадровые интервалы определяются относительными задержками между импульсом выборки и импульсами запуска, тогда как время экспозиции изображений можно оценить, используя длительность импульсов запуска. Таким образом, время экспозиции, эффективная частота кадров и номер кадра не зависят друг от друга.

Для реализации этой идеи необходима фемтосекундная лазерная система с фемтосекундным временным разрешением. Как отмечают ученые, тут крайне важна точная временная синхронизация между импульсами запуска и импульсом выборки. Достичь этого удалось за счет получения как импульса выборки, так и импульсов запуска от одного и того же лазерного источника, что снижает временные колебания между синхронизированными импульсами до нескольких фемтосекунд. Номер кадра (N) определяется отношением полной доступной мощности импульса запуска к мощности, необходимой для запуска каждого преобразователя оптического изображения.

OPA может отображать информацию о сигнале в холостом изображении, поэтому оптические параметрические усилители могут служить преобразователями изображения. Кроме того, использование ультракоротких импульсов в качестве накачки для OPA означает короткое время экспозиции при визуализации OPA, то есть высокое временное разрешение.

В оптическом параметрическом усилителе OPA возникает только во время взаимодействия между накачкой и сигналом, а это означает, что информация об изображении отображается в холостом только под действием накачки. Накачка имеет гораздо меньшую длительность импульса, чем сигнал, поэтому она может действовать как оптический затвор. Выдержку можно оценить по длительности импульса накачки, а временное разрешение в основном определяется длительностью холостого импульса. Обе длительности будут равны друг другу, если толщина кристаллов OPA будет достаточно тонкой для подавления временного отклонения между сигналом и импульсами накачки.

Кроме того, сверхкороткая длительность импульса накачки способствует высокой интенсивности накачки (например, > 100 ГВт/см2), что также положительно влияет на усиление OPA и позволят достичь большой пространственно-временной полосы пропускания.

Другими словами, интенсивность накачки для OPA определяется требуемым усилением OPA и полосой пропускания, но также ограничивается требуемыми размерами изображения и доступной мощностью накачки для OPA.

Для конкретных интенсивности накачки и размеров изображения или площади накачки каждого усилителя количество усилителей или количество кадров можно оценить, поделив общую мощность накачки на мощность накачки каждого усилителя. Кроме того, время задержки между импульсом накачки и сигнальным импульсом определяет экспонированные временные срезы сигнала в каждом усилителе ().

Из различий между каждым значением можно определить интервалы кадров. В системе FINCOPA значение ограничивается только минимально доступными размерами шага линий временной задержки (DL от delay lines) и флуктуациями траекторий луча лазера. Как правило, интервал кадров больше, чем продолжительность импульса накачки.

На изображении 1b показана экспериментальная установка FINCOPA.

Используемый фемтосекундный титан-сапфировый лазер имеет следующие параметры: 1 кГц; 800 нм; 3.5 мДж; длительностью импульса ~ 40 фс. Выход лазера сначала проходит через генератор второй гармоники (ГВГ): 0.2 мм -BBO кристалл. Временное разрешение экспериментальной установки составляет около 50 фс.

Примерно 30% лазерного импульса преобразуется во вторую гармонику (т.е. импульс 400 нм) с длительностью импульса ~ 40 фс. После прохождения через разделитель длин волн (WS от wavelength separator) импульс 400 нм разделяется на четыре дочерних импульса группой делителей луча (BSG от beam splitter group), включая три 50:50 делителя, для накачки четырех оптических параметрических усилителей (NCOPA-1NCOPA-4). Количество усилителей или количество кадров равно четырем, что в основном ограничено выходной мощностью импульса фемтосекундной лазерной системы (~ 3.5 Вт на частоте 1 кГц). Если энергия фемтосекундного лазера достигает 7 Вт, количество кадров можно оценить в 4 х 7/ 3.5 = 8.

Непреобразованный основной импульс 800 нм отражается WS. Около 1% лазерного импульса с длиной волны 800 нм направляется в расширитель импульсов (PS от pulse stretcher) распределитель импульсов, который увеличивает длительность импульса до 50 пс. Затем расширенный импульс работает как выборка для освещения целевого сверхбыстрого события, а также как сигнал последующих оптических параметрических усилителей.

В описанной выше установке между целевым объектом и оптическими параметрическими усилителями используются четыре оптических системы формирования изображений (от OIS-1 до OIS-4), так что плоскости цели и плоскости усилителей сопряжены друг с другом. OIS-1 отображает цель на NCOPA-1 с помощью оптического увеличения, чтобы соответствовать пространственной полосе пропускания усилителя, таким образом оптимизируя качество изображения. OIS-2, OIS-3 и OIS-4 используются для 1х релейной визуализации. Четыре части кристаллов -BBO толщиной 0.5 мм и сечением 29.2 градуса работают для OPA при фазовом согласовании типа I.

В каждом усилителе накачка и сигнал расположены с небольшим углом пересечения (~ 2 градуса) внутри кристаллов -BBO, так что генерируемое холостое изображение пространственно отклоняется от них обоих. Время задержки между ними можно независимо регулировать с помощью DL (от DL-1 до DL-4).

На каждом пути холостого изображения используется линза для отображения -BBO кристалла на CCD камере для оптимизации качества изображения.

Характеристики системы FINCOPA


Использование фемтосекундного лазерного импульса в качестве накачки для получения изображений с помощью OPA имеет несколько преимуществ. Во-первых, более сильный импульс накачки может обеспечить более высокий прирост оптического параметрического усиления. Во-вторых, такой импульс позволяет получить большую пространственную полосу пропускания.

Доступная интенсивность накачки в основном ограничена повреждением OPA кристалла от лазерного воздействия, которое также зависит от длительности импульса накачки: чем короче длительность накачки, тем выше доступная интенсивность. Для фемтосекундных импульсов интенсивность накачки может достигать сотен ГВт/см2. А вот наносекундные импульсы обычно имеют интенсивность ниже 10 ГВт/см2. В проводимых экспериментах накачка была установлена на уровне 15 ГВт/см2, а коэффициент усиления OPA составлял около 30.

Перед проведением фактических испытаний необходимо было произвести пространственную и временную калибровку.

Для начала необходимо было откалибровать поперечное положение четырех CCD (ПЗС) и увеличение оптической системы формирования изображения. Это было сделано путем одновременного захвата тестовых изображений с CCD.

Далее определялось начальное время, т.е. нулевой момент времени, когда сигнал взаимодействует с системой накачки NCOPA-1 (накачка-1). Этот параметр можно менять, настраивая задержку первого импульса накачки через DL-1. Соответственно, нулевые позиции NCOPA-2, NCOPA-3 и NCOPA-4 могут быть зафиксированы путем настройки временных задержек их систем накачки так, чтобы сигнал, усиленный NCOPA-1, также был максимизирован за счет NCOPA-2, NCOPA-3, и NCOPA-4 одновременно.

Кадровое изображение, которое было перенесено с помощью холостого импульса (idler-1) и снято камерой CCD-1, является первым изображением. Последующие три холостых изображения с CCD-2, CCD-3 и CCD-4 стали вторым, третьим и четвертым изображениями соответственно. Их моменты относительно нулевого времени были отрегулированы с помощью DL-2, DL-3 и DL-4, чтобы изменить временные задержки лучей накачки.

Сверхбыстрая визуализация плазменной решетки


Чтобы проверить производительность FINCOPA, была сконструирована плазменная решетка в качестве первого образца. Это связано с тем, что такая решетка имеет регулируемые структуры с пространственным периодом до 10 мкм и сроком службы, измеримом в пикосекундах. Следовательно, для визуализации такого образца необходимо субпикосекундное временное разрешение и пространственное разрешение на уровне микрометров.

Решетка возбуждалась двумя неколлинеарными ультракороткими импульсами с длиной волны 800 нм с помощью неколлинеарного интерферометра (NCI от noncollinear interferometer). Полная энергия возбуждающего импульса составляла 2.4 мДж, а фокусное расстояние линзы (L) 250 мм. Период решетки регулируется за счет изменения угла пересечения двух лучей (2).


Изображение 2

На представлена структура решетки для 2 = 3.8 градуса, а 2b показывает одномерный профиль интенсивности, записанный вдоль вертикальной белой линии на .

Было установлено, что период модуляции решетки составляет 12 мкм, что соответствует плотности штрихов около 83 пл/мм в вертикальном направлении. Согласно концепции устройства, NCOPA могут разрешать пространственные структуры с пространственной частотой до 36 пл/мм, посему в OIS-1 было настроено 3х увеличение для визуализации образца на NCOPA для 83 плмм решетки.

Два импульса возбуждения для образца поступали от лазерной системы Ti:S с частотой 1 кГц вместе с селектором одиночных импульсов. В отсутствие селектора одиночных импульсов событие повторялось с частотой 1 кГц, поэтому оно было зарегистрировано методом накачки-зондирования.

Накачка-зондирование использовалось для регистрации эволюции плазменной решетки с NCOPA-1 и CCD-1, которая, как видно на , включает 16 фрагментов изображения.

Каждый из фрагментов имеет вертикальную белую линию для калибровки пространственного положения в горизонтальном направлении. На каждом фрагменте изображения плазменная решетка распространяется слева направо. А нулевой момент времени был определен как момент, когда плазма пересекает белую линию на первом фрагменте изображения ().

График 2d демонстрирует изменение модуляции в зависимости от задержки. Анализ этих данных позволяет предположить, что после прохождения импульса накачки через белую линию плазменная решетка становится монотонно сильнее, но начинает исчезать через 4 пс.

Для покадровой визуализации был установлен селектор одиночных импульсов на выходе системы Ti:S для создания однокадровой плазменной решетки.


Изображение 3

На изображении выше представлены четыре группы снимков, каждая из которых включает четыре кадра видеозаписи решетки, полученной с помощью системы FINCOPA (видео 1).


Видео 1

На интервалы времени между соседними холостыми изображениями составляют 100 фс. Это означает, что FINCOPA работает с частотой кадров 10 Tfps (видео 2).


Видео 2

На также видно, что полосы плазменной решетки слева направо постепенно становятся видимыми с течением времени, что означает, что плотность электронной плазмы монотонно увеличивается от 0 до 300 фс.

На 3b представлены кадры в период времени 0, 200, 400 и 600 фс, т.е. с интервалом между кадрами 200 фс (видео 3).


Видео 3

Полосы на плазменной решетке становятся все более четкими, что можно проверить по изменению модуляции вдоль белых линий (3f).

Основываясь на данных из и 3f, интервал между кадрами был увеличен до 1 пс, а зафиксированный момент NCOPA-1 был перенесен из нулевого временного момента на 1 пс (видео 4).


Видео 4

На и 3g показаны изображения и кривая модуляции, отражающие тенденцию к увеличению плазменной решетки ( и 3b).

На 3d показаны кадры при 5, 8, 20 и 30 пс (видео 5). Видимость полос со временем уменьшается, а это означает, что плазменная решетка начинает постепенно исчезать начиная с 5 до 30 пс. В результате в отличие от 3e3g, модуляция на 3h со временем уменьшается.


Видео 5

Для сбора полной информации со снимков -3h были получены временные характеристики нормализованной модуляции решетки по белым линиям каждого изображения (синие метки на ; красные метки соответствуют 2d, полученному накачкой-зондированием).


Изображение 4

Сравнение результатов работы обоих методов (т.е. сравнение красных и синих меток) показало, что результаты обоих методов совпадают, т.е. система FINCOPA работает исправно.

В случае, когда 2 = 2.5 градусов, период плазменной решетки становится около 18 мкм (т.е. плотность штриховки составляет 56 пл/мм).

Были проведены такие же эксперименты, как и на изображении 3, но уже с 2 = 2.5, а не 3.8 градусов. Результаты (4b) показывают хорошее совпадение нормированных модуляций между методом накачки-зондирования и методом FINCOPA.

Далее была рассмотрена эволюция решетки вдоль направления ее распространения. Из 4х4 кадров был получен коэффициент модуляции в зависимости от пространственной координаты вдоль направления распространения при различных значениях , например 0.8, 1, 2 и 4 пс ().


Изображение 5

Пик модуляции смещается вправо с увеличением , что объясняется тем, что пара импульсов накачки распространялась слева направо. Поскольку плазменная решетка представляет собой объект с низкой модуляцией интенсивности, измеренный контраст изображения относительно низкий. Используя пространственную фильтрацию, удалось удалить фон и увеличить контраст изображения.

Другое наблюдаемое явление заключалось в том, что пиковые значения модуляций уменьшались с удалением от центра вдоль направления x. На 5b представлена эволюция модуляции решетки в зависимости от времени от 0 до 30 пс в четырех положениях вдоль направления x (т.е. х = 15, 60, 90 и 500 мкм). Все положения показывают аналогичную эволюцию модуляции, но максимумы уменьшаются при сдвиге положения от центра влево. Таким образом, 5b подразумевает зависимость модуляции решетки от x, которая может быть результатом зависимости интенсивности возбуждающего импульса от x.

Сверхбыстрая визуализация вращающегося оптического поля



Изображение 6

Для дополнительной проверки временного разрешения FINCOPA было выполнена визуализация (схема установки на 7b) сверхбыстрого вращающегося оптического поля с частотой 20 Гц и скоростью вращения более 10 триллионов радиан в секунду (Tрад/с).


Изображение 7

Низкая частота повторения (20 Гц) означает, что этот вид оптического поля может быть усилен до чрезвычайно высокой мощности (например, до десятков тераватт и даже выше). Однако для лазерной системы низкая частота повторения обычно сопровождается большой скачкообразной флуктуацией ее выходных импульсов, так что метод накачки-зондирования может привести к значительной неточности измерения.

Изучаемое поле было создано путем двух чирпированных вихревых импульсов с разными топологическими зарядами (l) и временной задержкой (t). Если настроить временную задержку пары чирпированных импульсов на 1 пс, оптическое поле поворачивается с разностью угловых частот = 27 Трад/с (т.е. цикл вращение равен 466 фс).

Система FINCOPA визуализировала это событие с интервалом кадров t = 66.7 фс, т.е. с частотой в 15 триллионов кадров в секунду (видео 6). На изображении 6 показано поле, поворачивающееся на угол 0.9 рад за 200 фс.


Видео 6

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


Часто говорят, что мастер ничто без своих инструментов. Возможно это и преувеличение, ведь талант, навыки и знания никто не отменял. Однако в аспекте исследования каких-либо процессов инструменты играют далеко не последнюю роль.

В данном труде ученые продемонстрировали работоспособную систему скоростной визуализации, которая способна запечатлеть что-либо с частотой кадров до 15 триллионов. Подобных показателей доныне не было, потому смело можно говорить про установление нового рекорда.

Сами авторы уверены, что их детище позволит познать очень много нового как в явлениях и процессах, которые уже изучены, так и в тех, что пока не могли быть рассмотрены из-за отсутствия необходимой аппаратуры.

Конечно, авторы исследования не намерены поддаваться бахвальству, ибо их система требует улучшений и доработок, которые в будущем смогут привести к тому, что метод FINCOPA станет столь же обыденным и распространенным, как и обычная микроскопия. По крайней мере, это мечта ученых. Станет ли она реальностью, покажет время.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Шапка-невидимка

28.12.2020 00:15:11 | Автор: admin

/Давайте представим себе эдакую весьма неожиданную и необычную ситуацию, когда, прогуливаясь в чистом поле, мы вдруг обнаружили некий клад сундук, полный всяких там драгоценностей. А почему бы и нет? Разве чудес на свете не бывает? Вот так вот буквально голая степь, ни деревца, ни кустика. Одна лишь ёлочка произрастает поблизости и всё. А рядом прямо на поверхности травы стоит этот самый весьма дорогостоящий сундук, невесть кем и когда оставленный тут.

И схематически эта довольно-таки необычная ситуация отображена на рисунке 1 ниже. Так что предлагаю считать этот рисунок некой опорной точкой для всех предстоящих рассуждений и умозаключений.

Рисунок 1.Рисунок 1.

И всё бы тут ничего, но как на грех нами где-то вдалеке обнаружен некий незнакомый нам чужак, который пока ещё не заметил ни нас, ни клада. И, как это нетрудно догадаться в нынешней ситуации, ни малейших оснований для доверия к этому потенциальному свидетелю у нас не имеется. Скорее даже наоборот.

Правда отмечу, что этот незнакомец находится всё-таки далековато от нас, и поэтому он не вместился в рамки вышеприведённой схематической картинки. Но это вовсе не значит, что он вообще не существует, поскольку в любой момент может обнаружить нас и самое главное нашу драгоценную находку. И тогда неизвестно, как развернутся все последующие события? Предлагаю для определённости считать, что он находится в правой части далеко за пределами изображения, откуда ему должен быть заметен наш сундук на фоне зелёной ёлочки.

Но снова как на грех у нас по каким-то тем или иным не зависящим от нас объективным причинам в данный весьма критический момент нет ни малейшей возможности забрать сундук с собой или, например, замаскировать его любым доступным способом. И остаётся только одно каким-то образом скрыть этот клад от постороннего взора. На ёлочку этот потенциальный злопыхатель пусть любуется, сколько захочет. Но от нас требуется каким-то образом добиться, чтобы наша драгоценная находка оставалась для всех незаметной на фоне этой самой ёлочки.

Но тут даже дошкольник знает, что если уж вдруг потребовалось скрыть от посторонних глаз какой-нибудь объект, то его надо накрыть шапкой-невидимкой. Но только вот не надо пожалуйста насмехаться над детской наивностью, поскольку, как это известно, устами младенца очень даже часто глаголит самая банальная истина.

Поэтому предлагаю вполне по-взрослому и по-серьёзному сформулировать все необходимые технические требования к этой самой шапке-невидимке. Тем более, что их существует всего два:

  1. шапка-невидимка должна быть незаметна сама по себе;

  2. и при этом она должна скрывать расположенный под ней предмет.

Но вполне очевидно, что такого добиться крайне трудно. Например, если сделать такую шапку из прозрачного материала, то выполнения первого требования достичь удастся. Но всё это тем не менее не имеет ни малейшего практического смысла, поскольку второе требование по-прежнему не выполняется. Поэтому в данной ситуации надо поступить как-то иначе.

А что, если нам каким-то образом удастся заставить световые лучи, исходящие от одинокой ёлочки, огибать сундук, а потом возвращаться в исходное направление? Ведь в этом случае наблюдатель справа и в самом деле будет видеть одну лишь ёлку, и при этом ни малейшего намёка на скрываемый перед ней объект. Схематически я эту ситуацию отобразил на рисунке 2, где световые лучи, исходящие от ёлки в правую сторону, где, напомню, находится незнакомец, образно отображены жёлтым цветом.

Рисунок 2.Рисунок 2.

Как видим, здесь каждый горизонтальный луч, трижды меняя своё направление и огибая тем самым скрываемый нами объект, снова возвращается к исходному направлению, как будто бы он никогда его не менял. Этим и создаётся обман зрения, благодаря чему огибаемый объект станет незаметным достаточно отдалённому наблюдателю справа.

Но всё-таки, вдруг вполне резонно спросите вы, как далеко должен располагаться потенциальный наблюдатель, чтобы и в самом деле проявился эффект невидимости? Математик, буквально мельком взглянув на эту принципиальную схему, вполне определённо ответит вам: Бесконечно далеко, и будет в принципе совершенно прав. Но к счастью (или может к несчастью?) наш мир не столь уж идеален и точен, благодаря чему на практике хватит и стометрового расстояния. Правда даже эта цифра достаточно условна, поскольку во многом она зависит от размеров скрываемого объекта в нашем случае сундука. Но мы всё равно чуть попозже, когда предлагаемая мною модель уже будет окончательно обрисована в необходимых деталях, поговорим о том, что же произойдёт на практике при недопустимом приближении нежелательного наблюдателя, и как можно будет попытаться решить эту проблему?

Однако математик или физик уже возможно заметил, что в процессе такого огибания увеличивается естественное расстояние, пройденное лучом от исходной точки до наблюдателя. Особенно это касается тех лучей, которые прорисованы ниже всего параллельно к уровню земли. Но по мере повышения горизонтального уровня этот эффект постепенно сводится на нет. Ну, а всё это вместе взятое приведёт к тому, что получаемое наблюдателем изображение будет немного запаздывать по времени, где нижняя часть изображения окажется наиболее устаревшей.

Но на практике это будет актуально лишь для особо динамичных объектов, просвечивающихся сквозь скрываемый предмет. Однако наша фоновая ёлочка очевидно не является объектом особой подвижности. Кроме того особо внимательный наблюдатель заметит этот релятивистский эффект лишь в том случае, если габариты нашего сундука будут составлять размеры от сотни тысяч километров и выше. Но мы ведь, будучи от рождения скромными людьми, вовсе не претендуем на такие космические масштабы. Не правда ли?

А теперь, собственно говоря, и подошло естественное время для вопроса: а как можно на практике добиться такого огибания света. Современная наука знает несколько способов для изменения направления светового луча: например преломление или плавное изменение направления потока фотонов под сильным действием гравитационного или электромагнитного поля. Но всё это не совсем подходит для нашего случая, и остаётся лишь отражение света зеркальной поверхностью. Конечно же, в процессе такого отражения зеркало поглощает какую-то небольшую часть световой энергии. Но, как я уже говорил, ничего идеального в этом мире нет, и посему обычно приходится довольствоваться имеющимися возможностями.

Таким образом от нас с вами требуется построение такой криволинейной системы зеркал, которая бы и обеспечила продемонстрированный выше эффект обтекания. Строго говоря, для современной математики эта задача не представляет особой сложности. Но в рамках этой научно-популярной статьи мне едва ли дадут возможность приведения здесь математических формул и расчётов. К тому же там ничего особо сложного нет. Поэтому я на рисунке 3 привожу уже готовое решение этой прикладной математической задачи в виде системы криволинейных отражающих зеркал.

Рисунок 3.Рисунок 3.

Эта система отображена на этой принципиальной схеме в вертикальном разрезе, а её объёмный ракурс для большей наглядности отображён там же в верхнем правом углу рисунка. Как видно отсюда, изображение в разрезе и в самом деле отдалённо напоминает широкополую шляпу, тогда как его же трёхмерное изображение больше похоже на свод криволинейной крыши. И в таком виде весь механизм трёхкратных зеркальных отражений вроде бы должен быть понятным, однако всё равно надо немного задержаться на верхнем горизонтальном плоском зеркальном рефлекторе

Всё дело тут в том, что, как это видно из вышеприведённой схемы, все горизонтальные световые лучи фокусируются там строго в одной математической точке. А это в свою очередь означает, что с позиций математики толщина этого рефлектора может быть нулевой. Однако в нашем материальном мире не существует твёрдых объектов без конкретного размера. И, каковой бы микроскопичной ни оказалась эта толщина в практической реализации, но она всё равно будет вполне осязаемой и возможно даже видимой. Тут всё дело в существующей на сегодняшний день технологии, и математика нам тут уже, увы, едва ли чем поможет.

Кроме того должны быть ещё какие-то боковые подпорки, удерживающие этот рефлектор навесу в требуемом положении. Так вот от технологов тут тоже потребуется добиться того, чтобы они тоже не бросались в глаза хотя бы уж с далёкого расстояния.

Математическое решение требует, чтобы между этим горизонтальным рефлектором и верхушкой свода существовал какой-то ненулевой просвет. Строго говоря, этого же требует и оптика, поскольку через это отверстие как раз и проходят все отражённые лучи света. Но дело тут не в этом, поскольку математически этот просвет не должен быть слишком уж узким, так как в этом случае форма свода при этом очень быстро становится почти что плоской и неспособной под собой укрыть более или менее крупный материальный объект. А в вырожденном математическом случае, когда этот просвет строго равен нулю, соответственная функция вообще вырождается в горизонтальную прямую или плоскость, если говорить об объёмной реализации этой системы. И по всем этим причинам на вышеприведённой схеме демонстрируется система, где высота этого злополучного зазора составляет 25% от общей высоты установки.

И ещё я пока не сказал, что математически этот свод можно продолжать и дальше буквально до бесконечности в обе стороны. В нашем случае это уже под землю. Но даже, если при этом продолжении соответствующим образом приподнимать свод, это всё равно вскоре становится нерентабельным, поскольку этот свод постепенно становится всё более и более плоским, бессмысленно занимая при этом слишком уж большую площадь поверхности земли. Поэтому тут всё равно потребуется рано или поздно остановиться при достижении какой-то рациональности.

Рисунок 4.Рисунок 4.

В частности для большей наглядности я на рисунке 4 проиллюстрировал этот график для случая, когда высота зазора составляет всего 5% от общей высоты нашей оптической установки. Как это наверное хорошо заметно, в таком виде эта конструкция и в самом деле окажется слишком уж маловместительной и громоздкой по занимаемой ею площади.

И ещё наверняка многие уже заметили, что вышеприведённая система зеркал абсолютно симметрична по горизонтали. А это в свою очередь означает, что если удалённый потенциальный наблюдатель будет видеть одну лишь ёлку, то и ёлка, обладай она зрением, тоже видела бы этого наблюдателя прямо сквозь сундук с драгоценностями. Правда, в данном случае она расположена слишком уж близко к скрываемому нами объекту, а мы при этом даже приблизительно не знаем, где располагались бы глаза у этой гипотетической зрячей ёлки? Однако эти вопросы близости наблюдателя я уже повторно предлагаю отложить до более удачного момента.

Вместо этого подошёл черёд обсудить вопросы математической устойчивости найденного нами решения. Если говорить попросту, то насколько корректно будет функционировать эта система при изменении местоположения наблюдателя, на которого эта наша система сейчас буквально нацелена. О математическом абстрактном бесконечно удалённом наблюдателе я сейчас не говорю, поскольку все его конечные перемещения ничего не изменят в общей системе функционирования.

А вот что произойдёт, если вполне материальный наблюдатель вдруг начнёт, например, движение по вертикали буквально взлетать или взбираться на высокую гору. Да в этом случае и в самом деле система постепенно начнёт для него проявляться как бы из небытия зеркала к примеру начнут отбрасывать световые блики и т.п. Поэтому оставлять её без присмотра нельзя, и кто-то должен постоянно следить за существенными перемещениями нежелательного наблюдателя, переориентируя наш зеркальный свод строго в его направлении и меняя тем самым положение всего приспособления вращением или наклоном в ту или иную сторону. Однако, согласитесь, что человек в качестве оператора тут даже не понадобится, поскольку со столь незамысловатыми манипуляциями очень даже легко справится современная электронная автоматика.

Итак, мы пришли к выводу, что сундук с драгоценностями всё-таки при определённых условиях можно спрятать от любопытных и нежелательных глаз. Но что увидит этот самый наблюдатель на месте, занятом невидимым сводом. Ведь форма свода вовсе не рассчитана нами на сокрытие этой площадки земной поверхности. А это в свою очередь означает, что на этом месте наблюдатель увидит лишь чёрное прямоугольное пятно в соответственном ракурсе зрения, которое в определённых случаях может и в самом деле выдать скрываемое нами местоположение.

Но, как оказалось, эта проблема очень даже легко решаема. Просто, как это видно из всех вышеприведённых схем, горизонтально симметричный свод будет корректно функционировать даже если, его перевернуть буквально вверх ногами. Причём никакого чёрного пятна на его месте в этом случае уже не будет наблюдаться. Однако вместо этого окажется видимой самая задняя внутренняя часть свода. Так вот, чтобы устранить ещё и этот недостаток, для достижения полной прозрачности достаточно будет накрыть эту конструкцию его зеркальной копией. И для большей наглядности всё это продемонстрировано на рисунке 5 чуть ниже.

Рисунок 5.Рисунок 5.

Конечно же, в данном случае, только что избавившись от одного досадного недочёта, мы сразу же приобрели вместо него новый недостаток. Просто теперь, как это наверняка нетрудно будет заметить, приходится каким-то образом обеспечить устойчивое положение этой достаточно неустойчивой конструкции так, чтобы все элементы этих подпорок были малозаметны хотя бы уж издали. Ведь это всё-таки не какое-то там летательное приспособление, из-за чего и этот вопрос, в котором я к огромному моему сожалению совершенно некомпетентен, снова вынужденно переадресовывается мною технологам. Тем не менее, ничего технологически недостижимого тут всё равно пока не вижу

И вот наконец и наступило время, чтобы разобраться с тем, как поведёт себя наша оптическая система, если нежелательный наблюдатель всё-таки приблизился к ней на недопустимо малое расстояние. Правда перед этим потребуется выяснить, в чём тут принципиальная разница? Просто окуляр оптического прибора, равно как и зрачок глаза, воспринимают лишь те световые лучи, которые попали в их радиус.

Если вспомните, то наша установка рассчитывалась для беспрепятственной передачи горизонтальных параллельных между собой световых лучей. Однако такая схема лишь приближает бесконечно удалённого абстрактного наблюдателя, к которому все световые лучи от нашей установки и в самом деле приходят параллельными на такое немыслимое расстояние.

А, если взять реального наблюдателя на почтительном расстоянии, то к нему лучи приходят почти, однако не строго, параллельными. Тем не менее, на практике обычно существуют определённые допуски, которыми можно пренебречь без особого вреда для дела. Этим мы и пользовались до сих пор.

Но когда наблюдатель приближается слишком уж близко, пучок световых лучей всё меньше и меньше начинает напоминать параллельные линии. Говоря другими словами, максимально возможный допуск на погрешность когда-нибудь всё-таки зашкаливается. Впрочем, для большей наглядности я схематически отобразил эту ситуацию на рисунке 6, где, как и раньше, жёлтыми линиями образно отмечены световые лучи, сходящиеся к наблюдателю от фоновой ёлочки. Именно эти лучи и воспринимаются им, тогда как все остальные в данной ситуации можно без ущерба для дела проигнорировать.

Рисунок 6.Рисунок 6.

Очевидно, что наша оптическая установка, рассчитанная на параллельные лучи, в этом случае оказывается почти бесполезной, поскольку окажется достаточно хорошо заметной этому наблюдателю. И, чтобы снова добиться иллюзии прозрачности, нам придётся проводить другой расчёт для вычисления новой формы криволинейных зеркал. Кстати, в этом случае уже окажется потерянной симметрия свода по горизонтали, но это не столь уж и серьёзная потеря на мой взгляд.

Гораздо хуже тут то, что такой перерасчёт придётся производить всякий раз, как только изменится расстояние до наблюдателя. Получается, что наша зеркальная система должна уметь, подобно амёбе, адаптировать свою внешнюю форму почти под любые изменения окружающей обстановки. Однако эластичные зеркала это пока, если я только не ошибаюсь, что-то из области фантастики. Так что, такой способ адаптации наверное всё-таки придётся отвергнуть буквально на корню как малоперспективный, поскольку в технологическом отношении, как вдруг оказалось, существует более простой и изящный способ.

И для этого нам придётся, оставив форму криволинейных зеркал неизменной, немного поманипулировать с горизонтальным рефлектором, слегка расширив его, например, в заднем направлении, чтобы дать ему возможность должным образом отражать теперь ещё и наклонные световые лучи, исходящие от нашей фоновой ёлочки. Таким образом, ширина этого рефлектора даже в математическом плане уже далеко не нулевая, что и отражено схематически на очередном рисунке 7. Так что отмечу, что лишь в этой весьма незамысловатой модернизации единственное отличие от нашей первоначальной универсальной схемы, рассчитанной нами, если вспомните, на бесконечно удалённого абстрактного наблюдателя.

Правда, сундук с кладом, как это видно ниже, пришлось всё-таки переместить с его исходного места на поверхности почвы, поставив его внутри нашей оптической установки. Но, думается, что в данном случае это не столь уж и принципиальный повод для придирок в мой адрес.

Рисунок 7.Рисунок 7.

Кстати, для того, чтобы данная оптическая система оставалось прозрачной в обоих направлениях просмотра, потребуется симметрично расширить плоские горизонтальные рефлекторы ещё и в правую сторону, что не отражено мною на вышеприведённой схеме. Стало быть, в таком виде эта система обеспечивает прозрачность лишь в одну сторону. Ну, а основная причина этой моей недоделки станет понятной чуть позже.

Итак, как теперь это видно, нам даже и в этом критическом случае удалось добиться от нашей установки иллюзии невидимости или прозрачности. Да, сундук с драгоценностями и в самом деле оказывается надёжно сокрытым от любопытных глаз наблюдателя. Да и система криволинейных зеркал оказывается тоже для него прозрачной. Но, вот лишь одна беда назревает в качестве небольшой ложки дёгтя для бочки мёда достаточно широкие горизонтальные рефлекторы, отбрасывающие световые блики и совсем неуместные для нашей задачи зеркальные отражения фрагментов фоновой ёлочки, этому наблюдателю всё-таки будут заметны. И никуда от этого не денешься, особенно на таком близком расстоянии. Именно поэтому я продлил рефлектор лишь в одном направлении, поскольку хотелось сделать его менее заметным и броским

Может быть, на этот недостаток и можно было бы закрыть глаза, например, замаскировав каким-то образом эти рефлекторы под какие-то материальные объекты или что-то в этом роде. Но, к сожалению, мне удалось обнаружить ещё одну ложку дёгтя, о которой я, как человек честный и самокритичный, просто не имею права умолчать. Просто оказалось, что, наблюдатель, приблизившись к установке, увидит не только рефлекторы, но ещё и кое-что другое.

Всё дело тут в том, что до сих пор мы были в основном озабочены беспрепятственным прохождением световых лучей сквозь нашу оптическую установку, из-за чего почти на всех вышеприведённых схемах эта установка отображалась мною в горизонтальном продольном ракурсе, тогда как вид сверху нами пока не анализировался.

Но, казалось бы, чего тут может быть такого выдающегося? И так ведь вроде бы совершенно очевидно, что в этом ракурсе наша установка представляет собой прямоугольник, состоящий из двух симметричных частей. Однако предлагаю всё-таки не торопиться с поспешными выводами и повнимательнее присмотреться к нашей установке ещё и с этого ракурса. И на схематическом рисунке 8 всё это отображено наглядно.

Наблюдателя я расположил как и раньше справа, но в данном случае мы смотрим на него сверху. То же самое касается и нашей зеркальной установки, которая по-прежнему располагается левее наблюдателя.

Так вот в этом ракурсе сразу же становится очевидным, что наша оптическая установка в нынешнем её состоянии передаёт наблюдателю на передний экран зеркального свода не всё фоновое изображение, которое загорожено от наблюдателя этим самым сводом. Просто часть боковых лучей, как это видно, тем или иным способом поглощается боковой частью свода. И эту зону отчуждения я для большей наглядности условно выделил на схеме особым розоватым полупрозрачным оттенком лишь только для того, чтобы она стала более заметной читателю этой статьи.

Рисунок 8.Рисунок 8.

Ну, а в результате того, что некоторые световые лучи от фонового изображения так и не доходят до наблюдателя, порождается визуальный эффект двух симметричных чёрных пятен по боковым краям переднего экрана установки, которые будут накладываться на фоновое изображение, загораживая его собой. Условно тут можно выразиться так, что это тень, отбрасываемая боковой непрозрачной частью нашей оптической установки.

На схематическом рисунке эти пятна смотрятся как чёрные прямоугольные треугольники, и аналогичным образом они будут смотреться в глазах наблюдателя. Только в его ракурсе они окажутся намного сильнее растянутыми по вертикали. Ну и естественно, если наша установка состоит из двух совмещённых сводов, как это было отображено в частности на рис. 7, то эти чёрные треугольники окажутся симметрично продублированными ещё и вниз, поскольку нижняя часть свода тоже будет оставлять свою собственную тень

И, чем ближе переместится наблюдатель к передней части установки, тем шире будут по горизонтали смотреться для него эти чёрные фигуры. И когда он, приближаясь дальше, наконец упрётся в нашу установку, черные треугольники для него вообще соприкоснутся друг с другом в самой широкой своей части.

Однако, как это видно на рисунке 8, от эффекта чёрных пятен всё-таки можно избавиться. Для этого потребуется, чтобы верхний ракурс нашей оптической установки представлял собой не прямоугольник, как сейчас, а симметричную трапецию, покрывающую собой зону отчуждения по бокам зеркального свода. В частности на последнем схематическом рисунке эта часть зоны отчуждения для наглядности слегка выделена яркостью. В этом случае все чёрные треугольные тени и в самом деле исчезнут, и свод установки снова станет для наблюдателя полностью прозрачным и невидимым. Но только вот беда, что форма и размеры этой трапеции полностью зависят от текущего положения этого столь непоседливого наблюдателя.

Ну что же, нам с вами на цепь его сажать, как какого-то дворового пса? Ну уж нет ведь наше российское законодательство строжайше запрещает препятствовать свободному передвижению человека. И мы, как законопослушные граждане, обязанные уважать и чтить кодекс, просто не можем пойти на столь откровенный криминал ради достижения прозрачности нашей оптической установки.

Ну и плюс к этому мы ведь ранее уже вроде бы договорились считать форму нашего оптического свода неизменной и незыблемой. Поэтому я больше не предлагаю механизм динамической адаптации формы свода под изменения местоположения наблюдателя.

Ну и что же из всего этого вытекает? Так вот, с огромным своим сожалением вынужден констатировать очевидное, что на достаточно близких расстояниях наша установка по тем или иным визуальным характерным признакам будет всё-таки заметна наблюдателю. Но всё-таки предлагаю проследить за тем, как она будет себя вести при его удалении?

Нетрудно заметить, что в этом случае чёрные тени начнут сужаться к краям переднего экрана и становится тем самым всё менее и менее заметными. Впрочем, почти то же самое касается и горизонтального плоского рефлектора, который в конечном счёте можно будет вернуть к его первоначальным нулевым размерам, рассчитанным для абстрактного бесконечно удалённого наблюдателя. И в какой-то не очень строго определённый момент времени установка снова станет почти полностью невидимой для наблюдателя. И даже бинокль едва ли поможет ему локализовать местоположение сундука с драгоценностями.

Напомню в связи с этим, что рассчитанная схема ориентирована во всех смыслах этого слова лишь на одного наблюдателя. А что произойдёт, если их много где-то там вдали? И растянулись они там многокилометровым фронтом? Увы тут я тоже ничего поделать не могу. Искривление формы свода по дуге как бы для панорамного обзора тут совершенно бессмысленно, поскольку не только не даёт должного результата, а скорее даже наоборот служит дополнительным средством привлечения постороннего внимания. Просто в этом случае боковые части сферически закруглённого свода начнут отбрасывать в глаза наблюдателей яркие зеркальные блики вроде солнечных зайчиков.

Так что идеальная шапка-невидимка у меня, как видите, увы, не получилась. Но, тем не менее, может быть получится у кого-нибудь из вас?

Подробнее..

Ученые создали новый тип светового датчика, вдохновившись глазами креветок-богомолов

12.03.2021 20:06:18 | Автор: admin
Источник: pcnews.ru

Камеры смартфонов значительно модернизированы с момента их появления в 1999 году. Однако несмотря на всю их новизну, они не застрахованы от ошибок. Обычно ошибки случаются при совмещении разных длин волн на одном изображении. Для обывательских изображений и селфи для соцсетей проблем нет. Во всех других случаях качество камеры и снимков должно быть гарантированно хорошим.

Ученые не первый год бились над решением этой задачи. И ответ был найден в глазах смотрящего креветки-богомола. Американские ученые, изучавшие строение глаз ракообразных, решили создать новый оптический датчик, взяв за основу это творение эволюции.

Глаза-как-прибор



Глаза самые совершенные оптические приборы, созданные природой. Но у всех живых существ они разные и устроены по-своему. Все зависит от функций.

На что способны глаза:

  • Глаза человека имеют три фоторецептора. Они различают три основных цвета: красный, зеленый и синий.
  • Глаза собак обладают двумя фоторецепторами, которые реагируют на зеленый и синий цвета.
  • Птицы, в отличие от человека и собак, имеют сразу четыре фоторецептора. Один из рецепторов способен уловить ультрафиолетовый цвет.
  • И наконец, глаза креветок-богомолов имеют от 12 до 16 отдельных фоторецепторов. Такое множество нейронов позволяет их глазам видеть как ультрафиолет, так и поляризованный свет.

Глаза креветки-богомола считают самыми сложными в животном мире. Некоторые из таких креветок могут настраивать для адаптации к среде чувствительность длинноволнового цветового зрения.

Как же устроена зрительная система креветок-богомолов? Они имеют три псевдозрачка. Эти органы расположены друг над другом. А еще у них есть десятки тысяч скоплений фоторецепторных нейронов. Клетки образуют омматидии, что делает глаза креветок-богомолов схожими по структуре с фасеточными глазами мух.

В середине глаза креветки-богомола находится шесть рядов омматидий. Каждый из рядов может обнаружить определенные световые длины. С 1 по 4 ряд настроены на восприятие ультрафиолета, а 5 и 6 ряды видят поляризационный свет благодаря крошечным волоскам.

Глаза креветки не просто смотрят на окружающий мир, они его сканируют, постоянно их перемещая.

Датчик, вдохновленный природой


Источник

Вдохновившись сложным и многоуровневым строением глаз креветок-богомолов, ученые создали крошечный датчик. Он умеет декомпозировать длины волн видимого света на более узкие полосы. И, что также важно, подобно глазам креветок-богомолов, датчик ловит поляризационный и ультрафиолетовый свет.

Датчик получил название SIMPOL, аббревиатура расшифровывается как Stomatopod Inspired Multispectral and POLarization sensitive. Вдоль вертикальной оси в датчике сложены 6 фотоэлементов здесь и идет отсылка к глазу ракообразных. В итоге датчик способен обнаружить как гиперспектральный, так и поляризационный свет.

Соавтор работы Брендан ОКоннор считает, что разработка поможет росту и развитию нового поколения органических электронных сенсорных технологий.

Чтобы убедиться в функциональности изобретения, ученые построили прототип прибора SIMPOL. С ним и провели тесты в лабораторных условиях. В результате обнаружено, что датчик умеет обрабатывать одновременно четыре спектральных сигнала и три поляризационных. Причем есть потенциал нарастить количество обрабатываемых сигналов до 15. Все это выгодно отличает прибор от традиционных CCD-камер в смартфонах, которые распознают только три источника света.

Разработчики считают, что актуально использование программами искусственного интеллекта гиперспектральных и поляризационных изображений с внушительным объемом данных. Но имеющееся в данный момент оборудование довольно громоздко. С новым датчиком удастся посмотреть в сторону компактных и удобных для пользователей агрегатов.

Подробнее..

Подвижные голограммы космический бой в наперстке

12.05.2021 10:23:58 | Автор: admin


Если взглянуть на произведения из категории научная фантастика, то можно найти немало общих элементов. Конечно же, одним из самых явных являются невероятные технологии роботы, космические корабли, стазис-камеры, и т.д. К лидерам по частоте появлений в кино, играх и фильмах можно с уверенностью причислить и голограммы. Праотцом голограмм считается, как неудивительно, Айзек Азимов, упоминающий эту технологию в цикле романов Основание. Первым же кино-дебютом для голограммы стал фильм Зардоз 1974 года с Шоном Коннери в главной роли. С тех пор голограммы начали появляться практически во всех научно-фантастических фильмах до той степени, что эта технология перестала удивлять, а порой начала вызывать откровенную неприязнь своей невероятной универсальностью в качестве инструмента продвижения сюжета. Однако, несмотря на недовольное ворчание некоторых киноманов, ученые по всему миру испытывают живейший интерес к этой невероятной технологии. Группа исследователей из университета Бригама Янгам (США) создали новый вариант технологии визуализации голографических изображений, которые буквально оживают на глазах. Данный труд уже освещался на Хабре, но давайте рассмотрим его подробнее. В чем же секрет подвижных голограмм, в чем их особенность и как все это выглядит? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования


Еще в 2018 году был опубликован труд (A photophoretic-trap volumetric display), в котором ученые описывают устройство для объемного отображения с помощью фотофоретического* треппинга (photophoretic trapping). Работа устройства основана на удержании частицы в фотофоретической ловушке, которая перетаскивает частицу через каждую активную точку изображения в свободном пространстве (до 1 см3).
Фотофорез* явление, когда мелкие частицы, взвешенные в газе (аэрозоли) или жидкости (гидроколлоиды), начинают двигаться при освещении достаточно интенсивным светом. Причиной этого явления является неравномерное распределение температуры освещенной частицы в текучей среде.
Когда частица перемещается в свободном пространстве, она освещается лазером видимого диапазона, чтобы сформировать изображение, которое может увидеть человек.

Данная технология нова и требует решения множества проблем, основными среди которых являются увеличение объема свободного пространства от 1 см3 до 100 см3 и устранения фундаментальной неспособности объемных дисплеев создавать виртуальные образы в свободном пространстве. Вторая проблема и стала главной задачей рассматриваемого нами исследования.


Изображение 1

В данном труде использовалась фотофоретическая визуализация на основе оптической ловушки (OTD от optical trap display), способная создавать в воздухе как плоские, так и трехмерные объекты (1b и 1c).

С помощью OTD можно создать изображение на краю объема рабочего пространства и изменить его видимый параллакс так, чтобы наблюдателю казалось, что изображение находится за объемом рабочего пространства (1d). Этот эффект называют перспективная проекция и достигается в OTD путем изменения масштаба, формы и параллакса объекта на плоскости фонового изображения по мере движения наблюдателя. При этом сама плоскость также может поворачиваться лицом к наблюдателю, если она конечна (т.е. не сферическая).

Авторы предыдущих исследований указывают на то, что существует ограничение все точки изображения должны лежать вдоль линии, идущей от наблюдателя через объем дисплея. Точки, которые пользователь воспринимает на задней панели, больше не являются объемными, потому что они больше не совпадают с физическими рассеяниями, поэтому они теряют атрибут идеальной аккомодации*, но получают возможность резко увеличивать воспринимаемый размер изображения.
Аккомодация* физиологическая настройка глаза, позволяющая удерживать объект в фокусе при изменении расстояния до глаза.
Используя перспективную проекцию, OTD может одновременно генерировать как реальные объемные точки изображения для переднего плана, так и моделированные необъемные точки изображения для фона.

Теория устройства


Как мы уже поняли, визуализация на базе оптических ловушек работает, удерживая одну или несколько частиц в фотофоретической ловушке. В разных трудах роль удерживаемых частиц исполняли самые разные материалы с самой разной геометрией и габаритами. В данном труде были использованы частицы целлюлозы размером 10 мкм. Когда ловушка перемещалась, частицы перемещались вместе с ней, проходя через все точки изображения. Когда частица достигала определенной точки изображения, она освещалась комбинацией красного, зеленого и синего света.

Прохождение частицы через точку происходило несколько раз в секунду, создавая видимое для человека изображение (1a). Зрительная система человека может обрабатывать от 10 до 12 кадров в секунду и воспринимать их индивидуально, в то время как более высокие скорости воспринимаются как движение. Посему 10 кадров в секунду можно считать нижней границей убедительного фона для данной методики визуализации.

Чем выше разрешение и частота обновления системы, тем более убедительным может быть этот эффект, поскольку наблюдатель не сможет воспринимать обновления отображаемых изображений.

Одной из наиболее общих форм перспективы является трассировка лучей, при которой наблюдатель (человек или камера) рассматриваются как одна точка E = (x0, y0, z0) плюс отображаемая точка изображения X = (x, y, z) и плоскость, на которой отображается P. Нахождение пересечения прямой EX с плоскостью P дает координату точки X в пикселях. Перспективная проекция может быть определена следующим матричным соотношением для плоскости P, перпендикулярной линии EO, где O начало координат:



Матрица перспективной проекции предназначена для проецирования сцены из пространства на плоскость. Это позволяет отображать трехмерные точки с использованием двухмерной поверхности.

Практическое испытание устройства


Чтобы продемонстрировать смоделированные виртуальные изображения с использованием модифицированного параллакса (перспективной проекции), было создано плоское (2D) OTD-изображение луны на задней стороне рабочего пространства. Эта плоскость, в свою очередь, находилась на передней стороне трехмерной миниатюры дома (2b).


Изображение 2

Камера (наблюдатель) была размещена на вращающемся штативе (2a). Частота смены кадров визуализированной луны сохранялась на уровне 12 кадров в секунду. Количество вокселов (объемных пикселей) в секунду, визуализируемых в ходе опытов, составило примерно 10000 в секунду. Частота обновления векторных изображений была 28 Гц, однако повышенная скорость приводит к снижению качества. Потому было решено снизить частоту до 12 Гц, что снижает эффект мерцания.

Функция воспроизведения изображения OTD менялась перспективной проекцией синхронно с движением кронштейна камеры. Скорость движения камеры составляла примерно 0.0194 м/с. Камера была сфокусирована на дымоходе дома (примерно z = 2 мм). Радиус поворота составлял 100 мм до передней грани объектива камеры. Размеры дома составляли 7.7 х 10.6 х 7.4 мм. Первоначальный диаметр луны составлял 0.5 мм, а скорость ее движения 12 кадров в секунду.

Результаты исследования



Изображение 3

На 3a-3c луна нарисована в плоскости перед домом (z = 0 мм), при этом она не меняется, обеспечивая контрольное изображение. На 3d-3f луна все еще нарисована при z = 0, но при вращении камеры луна смещается в сторону для получения параллакса, соответствующего объекту, воспринимаемому при z = 8 мм. На 3g-3i видео с камеры наложено на симуляцию Blender (оба с включенной перспективной проекцией). При этом наблюдается незначительное смещение, вызванное несовершенством устройства, но относительный параллакс согласуется с результатами моделирования с высокой точностью (средняя ошибка составила всего 5.88%).

Анализ результатов экспериментов показал, что измененный параллакс действительно создает изображения, воспринимаемые за рабочим пространством. Модифицированный параллакс после учета смещения показал хорошее согласование с результатами моделирования, что указывает на потенциальную эффективность увеличения отображаемого пространства объемного дисплея за пределы физических границ дисплея.

Несмотря на вышеописанные результаты, данная методика обладает некоторыми ограничениями: отсутствие диспаратности*, необходимость отслеживать положение глаз наблюдателя и несоответствие аккомодации/вергенции* и других визуальных сигналов.
Вергенция* одновременное движение обоих глаз в противоположных направлениях для получения или сохранения целостного бинокулярного зрения.
Диспаратность* различие взаимного положения точек, отображаемых на сетчатках левого и правого глаза.
Эксперименты проводились с использованием камеры, т.е. монокуляра. Чтобы методика визуализации голограммы была эффективна для людей, необходимо реализовать точный бинокулярный параллакс. А для этого OTD должен обладать управляемым анизотропным рассеянием.

Второе ограничение, связанное с отслеживанием наблюдателя, является достаточно серьезной проблемой, так как обычные OTD-изображения не требуют знания положения пользователя и по-прежнему обеспечивают угол обзора почти 4 стерадиан*.

Стерадиан* единица измерения телесных углов, т.е. части пространства, которая является объединением всех лучей, выходящих из данной точки (вершины угла) и пересекающих некоторую поверхность. Полный телесный угол (полная сфера) равна 4 стерадиан.
Однако, если достичь направленного рассеяния, то отслеживание наблюдателя может быть исключено как минимум в двух измерениях (горизонтальном и вертикальном). Третье же измерение (расстояние от наблюдателя до изображения) по-прежнему будет необходимо для идеальной реконструкции перспективы, поскольку перспективная проекция основана на трехмерной точке наблюдения.

Последним ограничением является несоответствие между аккомодационной меткой, которая заставляет пользователя фокусироваться на плоскости проекции, и меткой параллакса, которая заставляет зрителя фокусироваться на воспринимаемой точке. Подобное несоответствие стереопсиса* и аккомодации может вызывать неблагоприятные побочные эффекты для наблюдателя.
Стереопсис* бинокулярное восприятие формы, размера и расстояния до объекта; субъективное ощущение глубины пространства.
Чтобы смягчить негативные эффекты, необходимо разместить плоскость перспективной проекции на таком расстоянии, где параллакс более важен, чем аккомодация.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых.

Эпилог


В данном труде ученые впервые продемонстрировали практическое применение OTD для создания эффекта, аналогичного виртуальным изображениям на дисплеях с оптической ловушкой.

Все это стало возможным благодаря работе ученых, которую они проделали еще в 2018 году. Тогда они смогли создать методику визуализации объектов в свободном пространстве. Фундаментом этой методики стали оптические ловушки, которые улавливают частицы в воздухе с помощью лазера. При передвижении частица следует за ловушкой, а за ней остается освещенный лазером путь, парящий в воздухе. Авторы методики назвали это 3D-принтер для света.

По словам авторов исследования, большинство 3D-дисплеев требуют, чтобы зритель смотрел на экран, но их разработка позволяет создавать физически присутствующие изображения, плавающие в свободном пространстве. Другими словами, перед нами реальный объект, а не какая-то иллюзия.

Видео, в котором авторы исследования рассказывают о своем творении.

В будущем авторы труда намерены заняться совершенствованием своей разработки, в том числе и увеличением рабочего пространства устройства. По их словам, если правильно подобрать параллакс движения, то можно визуально увеличить размеры рабочего пространства без их фактического физического увеличения. Этот трюк позволит создать иллюзию дисплея вплоть до бесконечного размера, говорят ученые.

Голограммы, возможно, всем изрядно поднадоели, учитывая их частоту появления в кино, литературе и видеоиграх. Однако в реальном мире они все еще крайне редки, а их возможности весьма ограничены. Посему, пока мы с восхищением (или неприязнью) любуемся голограммами в кино, ученые продолжают трудиться в поте лица, чтобы эта технология перестала быть научной фантастикой, а стала для нас столь же реальной и обыденной, как и для героев кинематографа.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы


Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
Подробнее..

Синтез суперсверхширокоугольного объектива (насадки) для инфракрасной области спектра

06.12.2020 14:23:35 | Автор: admin

Введение

Расширение обозреваемого оптической системой пространства с целью повышения информативности и сохранением приемлемого качества изображения, всегда будет являться актуальной задачей оптиков-расчётчиков. Известны многочисленные подходы получения панорамных изображений, однако самыми доступными остаются центрированные линзовые системы. Наряду с этим, трудно не заметить бурный рост такого направления оптико-электронного приборостроения, как инфракрасные системы смотрящего типа, где основным функциональным элементом является матричный приемник излучения. Используемые материалы для создания оптических систем инфракрасного диапазона не без недостатков, но имеют широкие коррекционные возможности за счёт высоких показателей преломления и нетипичных коэффициентов дисперсии.


Синтез

После предварительного габаритного расчёта с учётом параметров приёмника излучения начальный этап синтеза дисторзирующего суперсверхширокоугольного объектива это создание панорамной оптической системы с полусферическим (полнокупольным) полем зрения 180360, формирующейся из афокальной насадки (конвертора) в виде телескопической системы Галилея и базового объектива, их дальнейшее совмещение через общую апертурную диафрагму и совместная оптимизация. [1, 2] При их создании и последующей коррекции аберраций наиболее эффективно использование композиционных методов [3]. Далее, со стороны пространства предметов, к полученной оптической системе присоединяется выпукло-вогнутый отрицательный (рассеивающий) мениск с высоким показателем преломления и невысоким значением оптической силы. Назовём этот компонент суперсверхширокоугольной насадкой. Следующий этап синтеза итерационное повышение углового поля до заданного при совместной оптимизации. В качестве переменных значений, с необходимыми конструктивными ограничениями, используются радиусы кривизны и толщины. Шаг увеличения углового поля порядка 2-0,5, с плавным уменьшением при достижении высоких значений и обновлением базовой целевой функции на каждом шаге оптимизации.

На одном из циклов оптимизации значение радиуса кривизны второй поверхности, а в последующем и первой поверхности суперсверхширокоугольной насадки, превысит значение светового полудиаметра. Таким образом, полученная линза будет гиперполусферической, что крайне нежелательно с конструктивной точки зрения. Пример шестилинзового объектива с гиперполусферическими элементами и угловым полем 320 по углу места и 360 по азимуту, показан на рис. 1.

Рис. 1. Объектив с гиперполусферическими радиусами кривизныРис. 1. Объектив с гиперполусферическими радиусами кривизны

Для устранения этого эффекта, необходимо задать ограничивающую оценочную функцию, контролирующую радиус кривизны второй поверхности оптической системы. Для этих целей могут быть использованы встроенные операторы оптимизации (табл. 1). Подробно ознакомиться с используемыми операторами оптимизации можно в руководстве по эксплуатации программы Zemax. [4] Способ устранения гиперполусферичности при помощи соответствующего пункта в свойствах поверхности, для ряда случаев может некорректно работать одновременно для двух поверхностей, поэтому не рекомендуется к использованию.

Таблица 1. Фрагмент редактора целевой функции оптимизации

Назначение

Оператор

Параметр 1

Параметр 2

1

Прогиб поверхности в плоскости XZ/YZ на расстоянии светового полудиаметра

SAG(X/Y)

2 (поверхность)

2

Кривизна поверхности

CVVA

2 (поверхность)

3

Обратная величина оператора

RECI

2 (операнд)

4

Разность двух операторов

DIFF

3 (операнд)

1 (операнд)

5

Ограничение минимальной величины оператора

OPGT

4 (операнд)

Особый интерес будет представлять оптическая система, работающая в двух режимах, когда при постоянном значении размера изображения и при минимальном ухудшении качества получаемого изображения, изменяется угловое поле с полусферического на заданное суперсверхширокопольное, без включения в схему суперсверхширокоугольной насадки и с её использованием, соответственно.

Для создания такой системы была применена следующая простая методика: в полученной оптической системе исключается из расчёта суперсверхширокоугольная насадка; производится оптимизация на угловое поле 2=180; вновь добавляется суперсверхширокоугольная насадка; система повторно совместно оптимизируется для заданного углового поля 2300 с переменными параметрами только для суперсверхширокоугольной насадки и её положения.

Тут важно отметить, что для получения максимальных результатов по оптимизируемости системы, наилучшим подходом будет, перед исключением суперсверхширокоугольной насадки, контроль угла падающего на третью поверхность в 90, используя соответствующие операторы.


Применение методики

Далее рассмотрен пример полученной таким образом оптической системы (табл. 2). В качестве исходных данных принят матричный фотоприёмный модуль средневолновой области инфракрасного спектра =3,64,9 мкм, формата 512512 (циркулярное исполнение) с шагом 15 мкм, в котором используется охлаждаемая диафрагма диаметром 8 мм и высотой 24 мм. Оптическая схема, с указанием хода главных и крайних лучей, представлена на рис. 2.

Таблица 2. Параметры оптической системы

Режим работы

Сверхширокопольный

Суперсверхширокопольный

Число компонентов, линз

4

5

Угловое поле 2, град.

180

300

Фокусное расстояние f', мм

3,2

1,9

Длина системы, мм

150

190

Диафрагменное число K

3

Размер изображения y, мм

7,68

Спектральный диапазон , мкм

3,64,9

Рис. 2. Панорамная оптическая система со сменной суперсверхширокоугольной насадкой. По ходу лучей в системе использованы следующие материалы оптических элементов: Si, ZnSe, ZnSe, Al2O3, ZnSe.Рис. 2. Панорамная оптическая система со сменной суперсверхширокоугольной насадкой. По ходу лучей в системе использованы следующие материалы оптических элементов: Si, ZnSe, ZnSe, Al2O3, ZnSe.

Ниже представлены результаты анализа оптической системы для двух режимов работы. Данные по функции концентрации энергии не менее 0,5 в размере элемента матричного приемника излучения (рис. 3). Модуляционная передаточная функция не менее 0,3 на частоте Найквиста (рис. 4). Среднеквадратическое значение (СКЗ) ошибок волнового фронта практически не превышает дифракционного предела (рис. 5). Пятно рассеяния выходит за пределы кружка Эйри незначительно (рис. 6). В идеальном приближении, относительная освещённость по полю не менее 95%, что во многом определяется совмещением апертурной диафрагмы (выходного зрачка) с охлаждаемой диафрагмой приемника излучения, для её 100% эффективности [5]. Влияние аберраций в зрачках отсутствует.

Рис. 3. Дифракционная функция концентрации энергии в квадратной зоне (быстрое преобразование Фурье (БПФ))Рис. 3. Дифракционная функция концентрации энергии в квадратной зоне (быстрое преобразование Фурье (БПФ))Рис. 4. Полихроматическая дифракционная модуляционная передаточная функция (БПФ)Рис. 4. Полихроматическая дифракционная модуляционная передаточная функция (БПФ)Рис. 5. СКЗ ошибок волнового фронта в зависимости от поляРис. 5. СКЗ ошибок волнового фронта в зависимости от поляРис. 6. Точечная диаграмма пятна рассеянияРис. 6. Точечная диаграмма пятна рассеяния

Один из главных параметров дисторзирующих (дисторсирующих) объективов тип отображающей функции [6]. Обычно, в качестве идеального значения, приводится эквидистантная отображающая функция или F- дисторсия (в данном случае =), устанавливающая связь размера изображения в виде произведения фокусного расстояния и углового поля. В данном примере относительное значение отклонения этого параметра не превышает 25% (рис. 7). Стоит заметить, что для примера на рис.1, за счёт гиперполусферических поверхностей и при должной оптимизации, это значение практически равняется нулю, что является вполне ожидаемо.

Рис. 7. Кривизна поля и F- дисторсияРис. 7. Кривизна поля и F- дисторсия

Такого рода системы возможно применять для обозрения полной сферы пространства предметов 360360, при использовании двух объективов с противоположно направленными визирными осями. Так, к примеру, по аналогичной методике созданный объектив в длинноволновой ИК области спектра в паре с вышеописанным, в итоге даст оптико-электронный комплекс, работающий одновременно в двух спектральных диапазонах в пределах боковых, наложенных друг на друга угловых полей зрения по 120, в сумме дающих 240 (рис. 8).

Рис. 8. Двухканальный всеобзорный оптико-электронный комплексРис. 8. Двухканальный всеобзорный оптико-электронный комплекс

Заключение

Рассмотренную методику можно использовать для синтеза исходных оптических систем широкопольных инфракрасных приборов.

Безусловно, сама методика и полученные с её помощью системы требуют дальнейших исследований и практической реализации для проверки полученных теоретических значений.

Очевидно, такие системы обладают низкой разрешающей способностью, ввиду их короткофокусности, ограничивая область применения на значительные дальности действия до систем работающих как теплопеленгационные. Кроме того, имеют место быть жёсткие допуски на изготовление и взаимное расположение элементов. Применяя специальные математические методы, частично эта проблема может решиться перебалансировкой допусков. Несомненно, столь высокие значения углового поля повысят значения эквивалентной шуму разности температур, и потоку видеоизображения придётся работать в режиме ограничения фоном. [7] Для того, чтобы это устранить, необходима коррекция на исправление эффекта Нарцисса [8], что потребует использование специальных типов поверхностей, или охлаждение элементов оптической системы. К недостаткам также можно отнести возможную потребность неравномерного распределения, от центра к краю, просветляющего покрытия на сферических поверхностях элементов.

Можно отметить отсутствие устоявшейся терминологии для описания этого типа объективов. Помимо приставки супер-, тут возможны вариации, такие как: гипер-, ультра-, экстра-, архи- и т.д.


Источники

  1. Откупман Д.Г., Тимашова Л.Н. Синтез панорамного объектива тепловизионной системы среднего ИК-диапазона спектра // Научно-технический журнал "Контенант". 2018. Т. 17. 3. С. 47-54.

  2. Откупман Д.Г., Тимашова Л.Н. Синтез особоширокоугольных объективов // Приложение к журналу Известия вузов Геодезия и аэрофотосъемка. 2018. Выпуск 9. 6. С. 74-75.

  3. Русинов М.М. Композиция оптических систем М.: Кн. дом ЛИБРОКОМ, 2011. 384 с.

  4. ZEMAX Optical design program. Users guide. Tucson, Arizona, USA: Zemax LLC, 2014. 879 p.

  5. В.В. Тарасов, Ю.Г. Якушенков Инфракрасные системы смотрящего типа М.: Логос, 2004. 444 с.

  6. C. Hughes, P. Denny, E. Jones, M. Glavin Accuracy of fish-eye lens models // APPLIED OPTICS. 2010. V. 49. 17. P. 3338-3347.

  7. M. Vollmer, K-P. Mllmann Infrared Thermal Imaging. Fundamentals, Research and Applications. Second Edition, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2018.

  8. J.W. Howard, I.R. Abel Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems // APPLIED OPTICS. 1982. V. 21. 18. P. 3393-3397.

Подробнее..

Из песочницы Оптический дизайн анаморфотной насадки для светосильного объектива камеры смартфона, беспилотника или GoPro

10.08.2020 12:13:56 | Автор: admin
Цель проекта заключается в проведении расчёта (или, выражаясь по-новому, оптического дизайна) компактной анаморфотной насадки с увеличением поля зрения по горизонтали на 33% для светосильного (F1.8) объектива основной 13-мегапиксельной камеры смартфона или аналогичной миниатюрной камеры. Особенностью расчёта является расчёт и дальнейшая оптимизация насадки с использованием конструктивных параметров оптической системы (формы поверхностей, марок стёкол, воздушных промежутков) выбранного объектива камеры.

Такой подход позволяет провести реалистичное моделирование с использованием CAD программ, методов непоследовательной трассировки лучей через систему для оценки засветок, формирующих блики. Кроме того, способ позволяет избежать виньетирования и минимизировать аберрации, что часто встречается при использовании универсальных насадок, рассчитанных произвольным образом без учёта конструктивных особенностей объектива, с которым она применяется. Также способ позволяет правильно спроектировать конструкцию крепления камеры с учётом обеспечения требуемого положения насадки, при котором полностью согласованы выходные и входные зрачки оптических систем объектива и насадки.


1. Введение


Афокальной анаморфотной (или цилиндрической) насадкой называется оптическая система, составленная из цилиндрических линз, предназначенная для трансформирования изображений оптическим способом за счёт уменьшения фокусного расстояния объектива. Уменьшение фокусного расстояния связано с желаемым увеличением углового поля зрения объектива в заданном, обычно горизонтальном, направлении. Насадка преобразует квадрат в прямоугольник или прямоугольник с одним соотношением сторон в прямоугольник с другим соотношением сторон. Например, для изменения соотношения сторон кадра с 4:3 на отношение 16:9.

Анаморфотные объективы формируют сжатое изображение, которое в последствии трансформируется в изображение широкоугольного формата с помощью средств цифровой обработки изображения (de-squeezing), реализуемых во встроенных приложениях.



В первую очередь анаморфотный объектив способен расширить угловое поле.



Наряду с этим, насадка позволяет значительно преобразить и украсить съёмку, производимую с помощью камеры смартфонов, беспилотников, камер GoPro и компактных цифровых камер, создавая неповторимые спецэффекты. Cоздаётся эффект расширения пространства в кадре, изменяется перспектива, появляются специальные оптические эффекты протяжные блики от ярких источников. Все это формирует особенную выразительность передаваемого изображения, сюрреалистичность, имитируя эффект съёмки на профессиональные дорогие и качественные объективы, часто используемые в большом кинематографе. Это происходит за счёт особой конструкции оптической системы насадки.



2. Основные оптические характеристики анаморфотной насадки


Насадка представляет компактную оптическую систему, устанавливаемую перед объективом, которая становится частью оптической системы.

Оптическая система насадки спроектирована таким образом, что в одном сечении, в котором проявляется кривизна цилиндрических поверхностей, насадка действует как обычная система сферических линз, а в другом, перпендикулярном ему, как система плоскопараллельных пластинок.



Большинство насадок состоят из двух компонентов. Для обеспечения компактности используется телескопическая цилиндрическая система, построенная в главном сечении по схеме телескопа Галилея. Она трансформирует входящие в неё параллельные пучки лучей в такие же параллельные на выходе из системы, но с различными значениями углов с оптической осью в двух взаимно перпендикулярных сечениях. По своему действию насадка приводит к изменению фокусного расстояния используемого с ней объектива только в одном направлении, а в другом работает без оптической силы и без изменения фокусного расстояния. На рисунке 1 они обозначены как L1 и L2. С целью обеспечения компактности передний мнимый фокус F1 первого
отрицательного компонента L1 совпадает с задним фокусом F2 второго L2.



Фокусное расстояние объектива с насадкой в главном (горизонтальном) сечении определяется по формуле:

$$display$$f=f'_0(-f_1)/f_2 , $$display$$



где f0- фокусное расстояние объектива камеры, -f1 и f2 фокусное расстояние первого отрицательного и второго положительного компонента анаморфотной насадки. В главном сечении масштаб изображения меняется в соответствии с видимым увеличением телескопической системы, а в другом сечении он остаётся неизменным. Значит, коэффициент анаморфозы A насадки равен отношению абсолютных значений фокусных расстояний компонентов насадки:

$$display$$A=f_1/f_2 $$display$$


Расстояние d между компонентами насадки равно разнице между абсолютными значениями фокусных расстояний компонентов:

$$display$$d=f_2-f_1 $$display$$



3. Основные этапы проектирования оптической системы


Разработка оптической системы устройства, например афокальной насадки, обычно состоит из следующих основных этапов:

  • Oпределение основных оптических характеристик и габаритных ограничений (составление ТЗ);
  • Габаритный и светоэнергетический расчёт;
  • Аберрационный расчёт или поиск наиболее близкого прототипа;
  • Оптимизация оптической системы с помощью оптического ПО (CodeV, Zemax Optics studio);
  • Aнализ качества, расчёт допусков на отклонения конструктивных параметров;

Далее разработка обычно проходит по следующим этапам:

  • Разработка конструкции корпуса (optomechanical design) и конструкции крепления насадки к смартфону (чехол или клипса);
  • Подготовка чертежей оптических и механических деталей и конструкторской документации для изготовления первого прототипа.
  • Изготовление и проверка прототипа, внесение изменений в оптическую систему и конструкцию. Подготовка конструкторской документации для изготовления прототипа 2.
  • Изготовление прототипа v.2. Расширенное тестирование с помощью друзей, тестировщиков и т.д. Модернизация. Минимизация затрат на производство (более дешёвые стекла, материалы и т.д.).
  • Разработка собственного софта для image processing (опционально).
  • Подготовка к массовому производству. Оптимизация.
  • Запуск массового производства.
  • Расширение номенклатуры.

Для оценки временных затрат жизненного цикла разработки подобного устройства в сети выложен план-график одного из стартапов, который обсуждался на кикстартере



4. Расчёт оптической системы анаморфотной насадки


Остановимся более подробно на первой части, посвящённой оптическому дизайну.

Габаритный расчёт


Важным моментом на начальном этапе оптического дизайна является наличие конструктивных параметров основного объектива, для которого рассчитывается анаморфотная насадка. Часто в качестве отправной точки можно использовать патент, найденный по названию компании.
В качестве исходной оптической системы была взята система на основе светосильного F1.8 объектива фронтальной 13-мегапиксельной камеры смартфона, оптическая схема и конструктивные параметры которой представлена ниже.



Далее исходные данные об основных геометрических праметрах и конструктивных параметрах системы были перенесены в программу Zemax Optics Studio, в результате получена система:



Отметим, что линзы объектива изготавливаются из пластика имеют сложную асферическую форму поверхности, представляющую асферику высшего порядка, описываемую уравнением деформированной асферической второго порядка с помощью коэффициентов деформации при четных степенях радиальных координат на поверхности:



Основные оптические характеристики самой камеры имеют следующие значения:

  1. Фокусное расстояние объектива камеры смартфона равно f0 =4.1 мм.
  2. Относительное отверстие: $inline$D: f0=1:1. 8$inline$.
  3. Диаметр входного зрачка равен $inline$D=2.28 $inline$мм.
  4. Положение входного зрачка: входной зрачок объектива совпадает с апертурной диафрагмой, установленной на оправе первой линзы объектива $inline$S_P = 0$inline$ мм.
  5. Поле зрения объектива камеры смартфона без насадки составляет:$inline$2W_{\text{H1}}* 2 W_{\text{V1}}=59.8{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ}$inline$
  6. Полное поле зрения по диагонали объектива равно 71.2.
  7. Диагональ матрицы приёмника излучения Diag=5. 867mm, соотношение сторон (aspect ratio): 4:3.
  8. Количество пикселей 13MP. Размер пиксела матрицы приёмника излучения: 1.12 um.



Примем значение коэффициента анаморфозы афокальной насадки A=0.67. Коэффициент анаморфозы определяет коэффициент сжатия координат в изображении по горизонтали. Т.е. в нашем случае происходит сжатие координат по горизонтали на 33%.

Зададим следующие значения фокусных расстояний компонентов насадки f1=-13.4 мм (отрицательная линза), f2= -f1/A=13.4 мм/0.67= 20 мм (положительная линза), расстояние между компонентами насадки равно сумме фокусных расстояний компонентов: d = f2 + f1=20мм + (-13.4)мм = 6.6 мм. В результате фокусное расстояние системы [объектив] +[насадка] в одном сечении (вертикальном) не изменится и будет равно фокусному расстоянию объектива 4.1мм, а в горизонтальном сечении фокусное расстояние уменьшится и станет равным:

$inline$f = 4.1 мм*(13.4 мм)/(20 мм) = 2.665 мм.$inline$
Поле зрения объектива с насадкой увеличивается в горизонтальной плоскости и вычисляется по формуле:

$$display$$tg(W_{\text{H2}})=tg(W_{\text{H1}})/A$$display$$

,
где А коээфициент анаморфозы объектива.
В результате:

$$display$$W_{\text{H2}}=arctg(tg(59.8/2)/0.67) = 40.62 $$display$$


Поле зрения объектива камеры смартфона с насадкой увеличивается до значений:

$$display$$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ} $$display$$




Далее проводится аберрационный расчёт и оптимизация оптической системы, состоящей из двух компонентов.

В результате получена оптическая система, состоящая из двух двухлинзовых склеенных цилиндрических компонентов.





Основные характеристики насадки:



  1. Угол поля зрения: $inline$2W_{\text{H2}}* 2 W_{\text{V2}} = 2W_{\text{H2}} * 2 W_{\text{V1}} = 81.24{}^{\circ} * 46.2 {}^{\circ} $inline$
  2. Угол поля зрения по диагонали: 87.53.
  3. Соотношение сторон: 16:9.
  4. Угловое увеличение: $inline$= A =(-f_1)/f_2=0.67$inline$.
  5. Длина системы по оптической оси: L=14мм
  6. Воздушный промежуток между компонентами: d=7 мм
  7. Размер апертуры первого компонента: 16мм x12мм
  8. Толщина первого компонента: 4 мм
  9. Толщина второго компонента: 3 мм

5. Вывод


Предложен подход к расчёту анаморфотной афокальной насадки к объективу компактной камеры. Насадка состоит из двух двухлинзовых склеенных цилиндрических компонентов. Для обеспечения компактности используется телескопическая цилиндрическая система, построенная в главном сечении по схеме телескопа Галилея. Фронтальный компонент системы короткофокусный, имеющий отрицательную оптическую силу, а второй компонент имеет положительную силу. При этом передний мнимый фокус первого компонента совпадает с задним фокусом второго компонента. Выходной зрачок системы расположен позади насадки и совмещён с входным зрачком объектива компактной камеры. Длина системы не превышает максимального поперечного размера первого компонента. Толщина стекла склеенных линз фронтального компонента не превышает 30% от обшей длины системы. С точки зрения автора, такой подход обеспечивает точное сопряжение выходных и выходных зрачков системы и получение высокого качества изображения при уменьшении габаритов и веса насадки.
Подробнее..

Оптические чипы в чашке Петри и квантовые сети магистратура мегафакультета фотоники ИТМО

10.07.2020 18:18:20 | Автор: admin
Сегодня мы расскажем, что изучают магистры и чем занимаются выпускники факультета. Также поговорим об их знаковых работах вроде гиперболических плазмон-поляритонов.


Фото Университета ИТМО

Пара слов о мегафакультете фотоники


Он объединяет четыре факультета: прикладной оптики, лазерной фотоники и оптоэлектроники, фотоники и оптоинформатики, а также физико-технический. Здесь изучают технологии, связанные с обработкой светового излучения и оптических сигналов.

Если информационные технологии это индустрия настоящего, то фотоника индустрия будущего. Объем глобального рынка фотоники в настоящий момент составляет 550 млрд долларов, но уже к 2023 году достигнет примерно 800 млрд долларов, что обеспечивает рост потребности в квалифицированных специалистах, в том числе и в России

Владислав Бугров, директор мегафакультета фотоники

На фото: Владислав Бугров
Сотрудники, магистранты и аспиранты синтезируют материалы с несуществующими в природе оптическими и электромагнитными свойствами, разрабатывают квантовые технологии. Например, в 2017 году на мегафакультете запустили первую в России и СНГ квантовую сеть. Это система передачи данных, информация в которой транслируется с помощью фотонов и надежно защищена от прослушки и хакерских атак.

В перспективе технологию будут использовать банки. Они получат еще более защищенные каналы связи между отделениями и подразделениями. Применение квантовым сетям также найдут спецслужбы и телекоммуникационные компании.

В начале лета группа инженеров под руководством специалистов Нового физтеха ИТМО также предложила метод выращивания оптических чипов в обычной чашке Петри. Для волновода специалисты выбрали фосфид галлия, а для микролазера галогенидный первоскит. Материалы помещают в чашку с раствором перовскитных чернил, и на волноводе вырастает источник света. После этого лазер с волноводом оставляют на подложке и создают основу для оптического чипа. Дальность излучения такой системы превышает возможности аналогов с серебряными или кремниевыми нановолноводами. Размер элементов чипа при этом в три раза меньше.

Нафизико-техническом факультете ИТМОведутся фундаментальные и прикладные исследования в области нанофотоники, радиофизики, физики твердого тела, а также междисциплинарные исследования на стыке физики, химии, информатики, биологии. Они включают метаматериалы, оптоэлектронику, адресную доставку лекарств, топологическую фотонику, биофотонику, оптомеханику, беспроводную передачу энергии, радиофизику и другие направления. На факультете есть шесть международных лабораторий, оснащенных современным исследовательским оборудованием, в которых работает большой коллектив молодых ученых

Юлия Толстых, инженер физико-технического факультета

Студенты также занимаются научной работой её результатом часто становятся публикации в тематических журналах (Nature Communications, Journal of Physics, Nanophotonics и других) и выступления на международных конференциях.

Расскажем о направлениях научных изысканий магистрантов мегафакультета.

Нанофотоника и метаматериалы


Здесь изучают новые материалы с уникальными оптическими свойствами и методы оптического управления то, как свет взаимодействует с веществом.

Студенты бакалавриата и магистратуры с самых первых семестров учебы попадают на научную практику в лаборатории и моментально все схватывают. Зачастую они уже гораздо лучше разбираются в отдельных вопросах, и они уже объясняют детали работы это чудесно

Георгий Зограф, аспирант физико-технического факультета ИТМО

Они проводят как теоретические, так и практические исследования результаты получают признание на мировом уровне. В 2015 году нашим студентам совместно с преподавателями удалось предсказать существование нового типа электромагнитных поверхностных волн гиперболических плазмон-поляритонов. Позже догадки подтвердили экспериментально, и за последние пять лет эти электромагнитные состояния обнаружили в микроволновом, инфракрасном и оптическом диапазонах.


Фото: Whos Denilo ? / Unsplash

В перспективе они могут стать носителями оптического сигнала и использоваться в системах обработки и передачи информации.

Во время обучения в магистратуре мы с коллегами теоретически предсказали новый тип электромагнитных поверхностных волн, которые сегодня известны в мире как гиперболические плазмон-поляритоны. В 2015 году по результатам этой работы опубликовали статью в авторитетном журнале Physical Review B, при этом редакторы журнала особо выделили и рекомендовали нашу работу

Олег Ермаков, выпускник и куратор программы Нанофотоника и метаматериалы

На фото: Олег Ермаков
Университет ИТМО сотрудничает с большим количеством партнеров международным центром НИЦ нанофотоники и метаматериалов, научно-исследовательскими лабораториями и вузами.

На факультете еженедельно проводятся открытые семинары по актуальным проблемам в радиофизике, оптике и теоретической физике с участием зарубежных и российских ученых.

У студентов есть возможность поехать на международные научные стажировки с обучением на английском языке и получить двойной диплом от одного из европейских университетов. Магистры получают навыки, необходимые для работы в крупных профильных компаниях, специализирующихся на оптических технологиях это Samsung, Bosch, Huawei и Corning.

Некоторые студенты решают запустить собственные проекты в этом случае факультет оказывает поддержку. Ряд выпускников решает продолжить заниматься наукой и продолжает академическую карьеру в образовательных учреждениях России, Китая, Америки, Сингапура, Австралии и других стран.

Во время обучения в бакалавриате и при поступлении в магистратуру у меня не было и мысли о том, что я буду ученым я просто любил физику. Передо мной снова стал важный выбор куда именно поступать в аспирантуру. Я получил предложения от нескольких европейских университетов, но все-таки решил продолжить карьеру в ИТМО. За время обучения в аспирантуре ИТМО я также много работал и представлял свои результаты за рубежом. В частности, за последние два года у меня было три стажировки в Техническом университете Дании и две стажировки в Институте фотонных технологий имени Лейбница в Германии. Кроме того, я посетил ряд конференций и симпозиумов не только в различных городах России, но и во Франции, Италии, Дании и даже Сингапуре

Олег Ермаков

Физика полупроводников


Образовательная программа основана в партнерстве с Физико-техническим институтом им. А. Ф. Иоффе. Студенты этого направления изучают теорию фотонных структур, оптику твердого тела, электродинамику метаматериалов, физику полупроводниковых наноструктур, а также линейную и нелинейную магнитофотонику и наноплазмонику.

Магистранты могут выбрать для себя специализацию курсы по теоретической или экспериментальной физике (хотя посещать занятия по обоим направлениям не возбраняется). Теоретический трек подразумевает углубленное изучение отдельных разделов квантовой механики, а также численные методы в физике полупроводников. Что касается экспериментального трека, то он включает цикл лабораторных работ для ознакомления с технологией производства полупроводниковых структур.


Фото: Karsten Wrth / Unsplash

Студентами и преподавателями вуза уже были реализованы несколько проектов в этой области. В 2017 году они разработали новое покрытие для солнечных батарей на основе аморфного кремния. Инженеры изменили структуру верхнего электрода солнечного элемента в него погрузили стеклянные объекты в форме капли размером в микрометр. Они фокусируют свет в слое полупроводника и снижают отражение лучей.

Этот метод позволяет сформировать структуру электрода, буквально выстраивая его по атомам. Образуется очень качественное покрытие, дающее хорошую проводимость. В результате общая эффективность солнечной батареи увеличивается на 20%. Такой электрод со стеклянными вкраплениями можно использовать для тонких солнечных батарей на основе не только аморфного кремния, но и любых других материалов

Михаил Омельянович, аспирант Нового физтеха ИТМО

Помимо Нанофотоники и метаматериалов и Физики полупроводников, у нас есть две программы по физике на базе мегафакультета фотоники Светодиодные технологии и оптоэлектроника и Информационные технологии в теплофизике. Подробнее о них расскажем в следующий раз.



О других направлениях магистратуры:



Подробнее..

Новый физтех избранные исследования

27.03.2021 20:12:03 | Автор: admin

Это подборка из пяти научных работ представителей Нового физтеха ИТМО, опубликованных в западных журналах и русскоязычных СМИ. Делимся опытом и обсуждаем результаты.

Изображение: Umberto. Источник: Unsplash.comИзображение: Umberto. Источник: Unsplash.com

Удержать свет в нанорезонаторе на рекордно долгое время

Новый физтех Science N+1 SpaceDaily

Группа физиковНового физтеха вместе с коллегами из Австралийского национального университета в Канберре и Университета Корё в Сеуле около года назад представила первый в мире нанометровый резонатор, удерживающий свет на две с лишним сотни периодов колебаний световой волны. Ранее такие результаты на небольшом масштабе были недостижимы на практике, но около трех лет назад получили теоретическое обоснование силами ученых из Университета ИТМО, физико-технического института им. А.Ф. Иоффеи Австралийского национального университета. В прошлом году дело дошло до реализации, а потом и разработки устройства, эффективным образом повышающего длину волны входного света в два раза.

Технология с высокой вероятностью станет основой для новых средств связи, оптических приборов и сенсоров. В нашем блоге ученые, принявшие участие в проекте, делятся инсайтами о выборе форм-фактора и соотношения диаметра к высоте резонатора. Плюс обсуждают возможности для развития теоретических и практических ответвлений этой работы.


Cинтез частиц карбоната кальция для доставки лекарств

Новый физтех ACS Sustainable Chemistry and Engineering Коммерсантъ

Это совместная работа экспертов Нового физтеха, специалистов Первого мед. университета в Санкт-Петербурге и Тель-Авивского университета. Ученые проанализировали условия роста частиц карбоната кальция, провели тесты на биосовместимость и изучили способность их захвата опухолевой клеткой в зависимости от формы и морфологии таких частиц.

Подобные средства доставки биоактивных веществ считают перспективными. Они не требуют существенных затрат на производство и деградируют во внутриклеточном пространстве.



Комплектующие для фотонных компьютеров из перовскита

Новый физтех Small Коммерсантъ

Вместе с коллегами из Дальневосточного федерального университета нашим ученым удалось провести серию весьма успешных экспериментов по работе с перовскитом. Подготовка материала была на стороне Нового физтеха, а его обработку осуществляли с помощью фемтосекундного лазера. За счет экспертизы специалистов ДВФУ в области наноструктурирования получилось прорезать перовскит и избежать перегрева. Плюс нанести канавки в несколько нанометров и сохранить оптические свойства материала.

Эти результаты говорят о перспективе развития новых типов записи данных с расширенными возможностями для считывания и защиты например, в виде микроскопических QR-кодов, доступных для чтения при подсветке с нужного угла.

Дополнительные опции появляются в области производства солнечных батарей и изготовления фотоэлементов различных цветов. Технология годится и для массового выпуска нанолазеров их печати на интегральных схемах оптических чипов.


Как перемешивать жидкости с помощью света

Новый физтех Advanced Science РИА Новости

Речь об инфраструктуре для разработки новых лекарств, экспресс-диагностики заболеваний и биологических исследований. В ситуациях, когда эти задачи решают с помощью лабораторий на чипе, требуются особые методы контроля диффузии молекул. Причем не только ее общей скорости, но и хода определенной части емкости микрореактора. Этой темой занялись наши ученые и специалисты Академии наук Чехии. Вместе они представили решение, состоящее из наноантенны в виде кубика кремния размером в пару сотен нанометров и наночастиц золота. Первый отвечает за управление световой волной и генерирует оптический вихрь, а золото перемешивает реактивы, позволяя усилить диффузию в десятки раз в нужной локации.


Фотография: Phil Hearing. Источник: Unsplash.comФотография: Phil Hearing. Источник: Unsplash.com

Прозрачный или отражающий в ИК-спектре материал

Новый физтех Optica Naked Science

Метаповерхности, состоящие из элементов сложной формы, позволяют управлять светом не хуже, чем объемные материалы. Однако их свойства можно установить исключительно в момент производства. Обойти это ограничение смог коллектив из ИТМО и Эксетерского университета. Ученые предложили метаматериал, изготовленный при помощи электронной литографии из основы в виде бутерброда, состоящего из кремниевой подложки, материала с фразой памятью (GeSbTe) и еще одного слоя с напылением кремния. Итоговый продукт меняет уровень прозрачности без механических воздействий для этого используют импульсный лазер.

Подобные разработки позволят приступить к проектированию оптических устройств нового типа вроде специальных ИК-лидаров и сверхтонких линз для объективов мобильных гаджетов.


Другие материалы Нового физтеха на Хабре:


Подробнее..

Категории

Последние комментарии

  • Имя: Макс
    24.08.2022 | 11:28
    Я разраб в IT компании, работаю на арбитражную команду. Мы работаем с приламы и сайтами, при работе замечаются постоянные баны и лаги. Пацаны посоветовали сервис по анализу исходного кода,https://app Подробнее..
  • Имя: 9055410337
    20.08.2022 | 17:41
    поможем пишите в телеграм Подробнее..
  • Имя: sabbat
    17.08.2022 | 20:42
    Охренеть.. это просто шикарная статья, феноменально круто. Большое спасибо за разбор! Надеюсь как-нибудь с тобой связаться для обсуждений чего-либо) Подробнее..
  • Имя: Мария
    09.08.2022 | 14:44
    Добрый день. Если обладаете такой информацией, то подскажите, пожалуйста, где можно найти много-много материала по Yggdrasil и его уязвимостях для написания диплома? Благодарю. Подробнее..
© 2006-2024, personeltest.ru