Из графена сделали прозрачную однопиксельную камеру светового поля
Ученые создали прототип фотодетектора из графена, который способен регистрировать объемное изображение (правда, всего из одного пикселя). Ключевая особенность разработки — прозрачность приемника, которая позволяет объектам на разном расстоянии фокусироваться в разных областях устройства. Такой прибор может регистрировать полностью все четырехмерное световое поле в рамках одной экспозиции, пишут авторы в журнале Nature Photonics.
В основе любой системы визуализации лежит фотодетектор, то есть собственно чувствительная к свету часть. В большинстве случаев приемник оказывается двумерным, причем это справедливо как для аналоговых и цифровых камер, так и для глаз живых существ. В результате приходящий от трехмерных объектов свет регистрируется в виде проекции на поверхность детектора, из-за чего часть информации теряется. В частности, по отдельному кадру с такого приемника затруднительно узнать относительные расстояния между изображенными предметами.
В то же время полноценная информация о распределении света в пространстве (в случае присутствия лишь выпуклых объектов) может быть выражена в виде четырехмерного светового поля, в котором закодированы как яркость, так и направления лучей. Такую информацию принципиально нельзя в полном объеме зафиксировать плоским приемником, так как падающие под разными углами лучи могут вызывать один и тот же отклик на его поверхности. В результате современные камеры обладают конечной глубиной резкости, то есть на их кадрах предметы лишь в определенном диапазоне расстояний оказываются в фокусе, в то время как более близкие и более далекие объекты будут размыты.
Это ограничение можно преодолеть несколькими способами. В частности, уже были созданы пленоптические камеры, каждый кадр которых состоит из множества копий изображений, снятых под слегка разными углами. Альтернативным и ранее не осуществленным способом зафиксировать все световое поле является создание объемного детектора, в котором находящиеся на разном расстоянии предметы будут фокусироваться в различных слоях прибора. В таком случае сравнение получаемых на разных глубинах изображений позволит восстановить траектории лучей.
Американские исследователи из Мичиганского университета под руководством Теодора Норриса (Theodore Norris) создали прототип такого многослойного фотоприемника из графена — плоских структур из расположенных в форме шестиугольников атомов углерода. Разработка стала возможна благодаря свойствам данного вещества: одиночный лист графена поглощает всего около 2,3 процента света видимого диапазона, а всего пары листов достаточно для создания одного слоя детектора. В результате авторам удалось сконструировать полноценную систему, пропускающую достаточно света до находящихся позади слоев.
Ученым пришлось существенно изменить применяемые материалы. В частности, графен выращивался на прозрачном стеклянном субстрате, а не на традиционно используемых кремниевых подложках. Более того, графен использовался не только как приемник, но также как вещество токопроводящих контактов и затвора транзисторов — фактически, все функциональные элементы системы были сделаны из графена.
Созданный авторами прототип формирует изображение всего из одного пикселя, фокусное расстояние при этом составляет сто миллиметров, а два слоя однопиксельных графеновых детекторов разделены на два миллиметра. В качестве тестового изображения были получены кадры отверстия диаметром 30 микрон, находящемся на оси прибора. Исследователям удалось определить расстояние до объекта на основе сравнения интенсивностей на двух приемниках.
Полученные результаты были использованы для проведения численного симулирования работы полноценной многопиксельной камеры на такой технологии. Также были разработаны алгоритмы обработки изображений со множества слоев. Ученые отмечают, что при полноценном воплощении подобная камера может быть востребована в ряде применений. В частности, определение расстояния до объектов пригодится в робототехнике, а трехмерные изображения смогут продвинуть изучение биологических объектов, например, клеток.
Недавно четырехмерную камеру светового поля удалось реализовать при помощи массива микролинз из жидких кристаллов. Уже существуют компактные камеры глубины, но их возможности ограничены. Компания Intel представила собственную разработку в этой области, но в ней расстояние до предметов оценивает лидар. Также ученым недавно удалось создать поляризационную камеру из метаповерхностей.
Тимур Кешелава
Физикам помогла простая математическая модель
Британские теоретики попытались разобраться, почему при слишком мелком помоле эспрессо получается невкусным. Для этого они построили простую модель протекания жидкости через два канала с пористым молотым кофе. Оказалось, что слишком мелкий помол запускает механизм с положительной обратной связью, из-за которого жидкость течет только по одному из каналов. Кофе во втором канале при этом остается недоэкстрагированным. Исследование опубликовано в Physics of Fluids. Для приготовления эспрессо нужно пропускать достаточно горячую воду под большим давлением через фильтр с молотым кофе. Люди научились готовить эспрессо еще в XIX веке, и с тех пор методом проб и ошибок сложилась практика получения наилучшего вкуса кофе. Однозначно формализовать качество кофе непросто, но чаще всего специалисты ориентируются на уровень (или выход) экстракции кофе — массовую долю растворившихся в воде химических компонентов зерен. В попытках разобраться в том, какая физика стоит за приготовлением эспрессо, несколько лет назад Фостер с коллегами провели экспериментальное и численное исследование этого процесса. Ученые уделили особое внимание помолу: модель предсказывала, что, чем меньше размер зерен, тем больше экстракция. Но эксперименты показали, что так происходит лишь до определенного порога, меньше которого уровень экстракции начинает снижаться. Этот эффект известен баристам давно. Его объясняют тем фактом, что при слишком мелком помоле в таблетке с кофе пробиваются паразитные каналы, через которые вода почти полностью утекает, игнорируя остальную кофейную массу. Фостер с коллегами учли этот факт, дополнительно наложив на модель ограничение на площадь экстракции. Тем не менее, остается проблема учета этого эффекта из первых принципов. Уильям Ли (William Lee) из университета Хаддерсфилд был одним из соавторов статьи Фостера. Ранее он с коллегами уже проводил независимые вычисления, связанные варкой кофе. На этот раз целью его группы стал вопрос о том, как именно происходит неравномерная экстракция при варке методом эспрессо. Для ответа на этот вопрос, физики построили довольно простую модель просачивания жидкости через два канала с пористым веществом. За основу они взяли уравнение Козени — Кармана, выведенное для упаковки сферических частиц. Вместе с ним авторы учли тот факт, что вещество помола экстрагируется в жидкость, уменьшая объем порошка. Решая полученные дифференциальные уравнения, физики смогли качественно воспроизвести главный эффект: по мере уменьшения размера зерен выход экстракции также спадает. Динамика потоков по каждому из каналов позволила понять, почему так происходит. Оказалось, все дело в механизме положительной обратной связи: чем больше протекает воды через канал, тем больше извлекается вещества и тем больше становится его пористость, а значит тем меньше сопротивление канала. В какой-то момент поток в одном из каналов становится максимальным, а в противоположном — падает почти до нуля. Несмотря на качественное объяснение, которое дала модель, ее количественные оценки разошлись с экспериментальными данными. Этот факт авторы объяснили простотой модели. В частности, они не учли стратификацию кофейной массы, а также использовали мономодальное распределение частиц, вместо бимодального, которым обладает реальный помол. Помимо усложнения модели, физики планируют включить в нее альтернативное объяснение эффекта, связанного с мельчанием помола, который заключается в закупоривании каналов зернами. Кофе — это один из немногих продуктов и в целом аспектов человеческой деятельности, который исследует огромное количество научных дисциплин от математики до экспериментальной психологии. Подробнее об этих исследованиях читайте в серии материалов и блогов «Сварен на калькуляторе», «Кофе (не) убьет», «Чашечку кофе?», «Кофе: проклятие четырех чашек».