Инженеры из Колумбийского университета намерены совершить настоящую революцию в фото-и видеосъёмке. Они разработали первую в мире камеру, не требующую внешних источников питания. Камера сама себя питает энергией, которая поступает на светочувствительный сенсор!
Дизайн простой: каждый фотодиод в сенсоре попеременно работает в двух режимах: сначала записывает количество фотонов, а потом генерирует ток в фотоэлектрическом режиме. Ток стекает в ионистор (суперконденсатор), который питает электронную схему.
В таком режиме камера может работать вечно, при условии освещённости более 300 люкс.
Электрическая схема
Архитектура сенсора
Энергии хватает, чтобы снять изображение с частотой 30 кадров/с и передать его по кабелю на компьютер. В камере пока нет собственного записывающего устройства, но его планируют добавить в будущем.
Первый экспериментальный сенсор имеет низкое разрешение: всего 40х30 пикселов.
Но это уже технические детали. Учёные доказали жизнеспособность концепции и сделали работоспособный прототип. Вероятно, более продвинутый сенсор можно просто составить из большого количества таких модулей — разрешение увеличится чисто механически.
Вот как выглядит видео, сделанное полностью автономной камерой.
Сенсор не сможет работать в условиях нулевой освещённости, но при увеличении количества света напряжение в цепи резко возрастает. На графике показано напряжение с одного фотодиода.
Исследование финансируется Военно-морским министерством США. Официальная презентация научной работы состоится на Международной конференции по вычислительной фотографии 24-26 апреля в Хьюстоне.
Сейчас в мире около 2 миллиардов цифровых камер и камера-модулей. Но если они станут работать без дополнительного питания, то эту цифру можно смело увеличивать в несколько раз. Полностью автономные камеры найдут применение в носимой электронике, сенсорах и других устройствах. В идеале, гаджеты различной функциональности смогут объединиться в глобальную Сеть, которая не потребует внешнего питания, извлекая всю необходимую энергию из окружающей среды.
Комментарии (30)
pehat
16.04.2015 01:49+21Что мешало сделать камеру – отдельно, солнечные батареи – отдельно?
Rumlin
16.04.2015 02:01+5О таком в новостях не напишут.
Но в общем результат не плох — пасмурный день, освещение в рабочем кабинете это 350-300 люкс. Но подозреваю, что если уменьшить площадь пикселя будет невозможно получить нужное количество энергии.isden
16.04.2015 02:23Можно брать больше поток за счет оптической системы.
Rumlin
16.04.2015 09:19+1Оптика стоит денег. И самое главное, что солнечная батарея — это гибкий вариант. Предположим солнце (источник света) расположен за камерой, то очевидно, что солнечная батарея(кстати не ограниченная по площади как сенсор) за камерой получит больше энергии.
Но существуют специфические задачи как шпионаж, в этом случае эта камера имеет большие преимущества. Фактически у неё минимум деталей позволяющих её заметить.
mtp
16.04.2015 14:23-1Площадь пикселя уменьшается, но их общее число увеличивается => энергия остается примерно на том же уровне и зависит от площади матрицы.
Rumlin
16.04.2015 14:29Скорее всего у мелких «пикселей» будет выше сопротивление, большая часть поверхности будет затеняться соединительными проводниками.
amarao
16.04.2015 15:26+2Зависит от задачи, которую решают.
Что помешало сделать сотовый телефон отдельным устройством, а батарейку к нему — отдельно, соединёнными силовыми кабелями?
vmarunin
16.04.2015 02:32300 люкс? Это же сильно дофига, это яркий свет
Скажем в квартире 300 положено только на полу кабинета и на биллиардном столе. Всё остальное — ниже.
Да, есть производство где света должно быть побольше. Скажем 3000 ювелирам и часовщикам.
Но камера же не будет снимать прямой свет, она будет снимать отражённый. А это ещё потери в разы.
300 люкс не на столе под лампой а в глазу камеры это только в солнечный день.
Очень примерно (есть в интере разные мнения) 300 люкс в камеру для ISO=100 и диафрагмы 3 это выдержка 1/100.
Давно я так фотоаппаратом в помещении не фотографировал.
А на улице, в солнечный день да, и не такое бывает.
Только зачем нужна автономная камера для солнечного дня?
nik_vr
16.04.2015 07:52+1Скажем в квартире 300 положено только на полу кабинета и на биллиардном столе. Всё остальное — ниже.
Да, есть производство где света должно быть побольше. Скажем 3000 ювелирам и часовщикам.
По СНиП норма в 300 лм — это рабочее место в офисе (на столе) или жилая комната. Пруф.vmarunin
16.04.2015 12:35Ну хорошо, 300 в офисе на столе (хотя чертёжникам 500 положено, школьникам 400 на партах и 500 на доске). Жилой комнаты я по вашей ссылке не нашёл.
Это же принципиально ничего не меняет, 300 это много, это яркий свет при котором можно разглядывать довольно мелкие детали (буквы, тонкие линии).
И 300 это падает на стол. А сколько от него отразится и попадёт в объектив камеры?amarao
16.04.2015 15:27Вы хотите, чтобы первый прототип был совершенным и идеальным?
vmarunin
16.04.2015 18:34+3Шуму их-за этого «первого прототипа» уж больно много. При том, что он не просто не идеальный, он неработоспособный в нормальных условиях.
Очевидно, что количество энергии в принципе попавшей в камеру это будет люксы умножить на время и на площадь объектива. Википедия говорит нам, что «For monochromatic light with 555nm wavelength, the amount of illuminance for a given amount of irradiance is maximum: 683.002 lux per W/m2; the irradiance needed to make one lux at this wavelength is about 1.464 mW/m2.»
Грубо 300 люкс это 0,5 W/m2. Сколько там диаметр объектива? 10 сантиметров, не больше же. Значит его площадь 8*10e-5метра и мы имеем 40 микроватт. Это очень, очень мало.
Проще, как писали выше, сделать энергоэффективную камеру и солнечную батарею нормальной площади. Тем более, что эта камера передаёт результаты съёмок по кабелю, на беспроводную передачу мощности просто не хватает.amarao
17.04.2015 15:39Шума ровно столько, сколько должно быть. Это примерно тот же уровень шума, который должен был быть после появления двигателя Ватта (тоже несовершенного и почти ни на что не годного).
Дальше весь вопрос — в BT LTE (запитывающийся от той же штуки), и p2p протоколы — и сеть бесконечно работающих камер готова.
300 Люменов много, но достаточно для многих применений. С минимальными улучшениями его уже можно использовать, что ж говорить про дальнейшее развитие.
valexey
17.04.2015 17:43Напомните, сколько кушает BLE при передаче, какая типичная скорость передачи у BLE и сколько нужно будет передавать данных при передаче видео, ну или хотя бы не сжатого фото, а если сжатого, то сколько потребуется энергии для его компрессии.
valexey
16.04.2015 02:49+10Энергии хватает, чтобы снять изображение с частотой 30 кадров/с и передать его по кабелю на компьютер.
Что-то я не понимаю где тут профит, все равно камера привязана проводом к компу, по этому же проводу отлично можно и питание подать.
Но допустим сделают еще и внутреннюю память, а провод уберут. Но в таком режиме камера будет просто копить данные на внутренней памяти, и при чем тут тогда IoT (см. тэг)? Куда-либо их передать ей силенок точно не хватит при этом.
В общем, в лучшем случае получаем автономный видеорегистратор для улицы днем (в случае чего можно успеть достать из него данные пока они не затерлись более новыми). И никакого интернета вещей.
ilBEastli
16.04.2015 06:36-1Так рядом будет располагаться кто-то с нормальным аккумулятором — этот кто-то передаст снятое куда следует, независимо от наличия освещения.
Энергии затратится меньше, если камера сама себя будет обслуживать — вот и профит.
Alexeyslav
16.04.2015 09:21Стоит полагать, что это рабочий прототип. Беспроводные коммуникации совершенствуются, вон блютуз 4 уже потребляет меньше чем микроконтроллер. Энергии вполне может хватить для передачи на пару метров.
Кто знает, насколько экономичной будет электроника в будущем, может через 20 лет уже можно будет собрать камеру которая заработает уже при 10 люкс.valexey
16.04.2015 09:49+4Стоит полагать, что это рабочий прототип. Беспроводные коммуникации совершенствуются, вон блютуз 4 уже потребляет меньше чем микроконтроллер
ble потребляет больше чем MCU. Собственно ble — одна из самых жручих штук у сенсоров (если конечно прошивку для MCU писал не рукожоп который не может в сон).
Энергии вполне может хватить для передачи на пару метров.
Это для видео то? Это ведь вам не температуру раз в 15 минут передать (один-два байта), это ВИДЕО. Это огромный поток данных. А если не видео, а даже просто фото, это все равно МНОГО информации.
LexB
16.04.2015 09:43+1В общем, в лучшем случае получаем автономный видеорегистратор
Причем перед сохранением на носитель данные желательно сжать, а микросхема производящая сжатие так-же требует питания, а raw поток видео займет столько места что никакого накопителя не хватит.
Хотя можно сделать фото раз в пол часа, но юз кейс такого устройства трудно придумать.
mammuthus
16.04.2015 11:57>Хотя можно сделать фото раз в пол часа, но юз кейс такого устройства трудно придумать.
Таймлапсы всякие
Mithgol
16.04.2015 14:15(комментарий стёрт его автором как превзойдённый
предшествующим комментарием)
m08pvv
16.04.2015 09:42+6Я, наверное, странный, но мне почему-то не нравятся графики, у которых оси местами поменяны, и в итоге ось абсцисс показывает значение функции, а ось ординат — аргумент.
Scalar
16.04.2015 14:53+3Тут либо график неправильный, либо утверждение
при увеличении количества света напряжение в цепи резко возрастает
неверное
darkdaskin
16.04.2015 22:24+3Правильный график
BubaVV
16.04.2015 15:01+2Все уже придумано до нас
Bal
19.04.2015 05:57Просто напрашивается объединение с Michigan Micro-Mote. Там уже есть процессор, передача сигнала на 2 метра и питание от источника рассеянного света.
corvus
Это прорыв, без дураков.
Aingis
Да, ладно, потом окажется, что такие камеры у спецслужб уже лет 20 как есть.