Очі павуків-скакунчиків допомогли розробити компактний сенсор глибини

Вчені створили сенсори глибини зображення, принцип роботи яких схожий з природним сприйняттям у павуків-скакунчиків і використовує металінзи. Отримані інструменти набагато менші від приборів (наприклад, камер у смартфонах) і підходять для установки на мікророботів, пишуть автори в журналі.

Людина відчуває світло за допомогою сітківки, що вистилає око з внутрішнього боку. Цей орган задіяний, тому отримуване одним оком без урахування саккад зображення також «плоске», тобто не дозволяє без використання додаткової інформації оцінити відстань до об'єктів. Глибина сприймається після обробки мозком зображень від обох очей, оскільки їх положення забезпечує різні кути огляду, через що образи тіл поблизу виявляються зміщені відносно фонових об'єктів.

Людський мозок складний і справляється із завданням постійної обробки зображень. Однак деякі тварини мають набагато більш примітивну нервову систему і не можуть такого дозволити. Наприклад, членистоногі з сімейства павуків-скакунчиків () для навігації та полювання також оцінюють глибину зображення. Однак для цього вони спираються не на роботу мозку, а на спеціальну будову очей, яка дозволяє автоматично вирішувати потрібну задачу.

Всі основні очі цих павуків мають кілька напівпрозорих шарів сітківок, які сприймають зображення різного ступеня розмитості. Відмінності цих картинок і допомагають відновити інформацію про відстані до об'єктів у полі зору. В області обробки зображень подібний алгоритм постфокусування називається Depth From Defocus, і він вже використовується в деяких комерційних продуктах.

Вчені з Сінгапуру і США під керівництвом Федеріко Капассо (Federico Capasso) з Гарвардського університету створили компактний датчик глибини, що працює за схожими з візуальною системою павуків-скакунчиків принципами. Основна відмінність нової розробки від попередніх полягає у використанні металінз, тобто мікроструктурованих поверхонь, які забезпечують недосяжні для традиційної оптики режими взаємодії з випромінюванням. Це дозволило позбутися рухомих деталей приладу, завдяки чому вдалося радикально зменшити розмір оптичної системи.

При проходженні світла крізь створену авторами металінзу діаметром 3 міліметри пучок поділяється на дві частини, які проектують зображення різного ступеня розмитості на сусідні ділянки фотодетектора. Також вчені розробили новий алгоритм, який обчислює глибину, порівнюючи отримані зображення, виробляючи менше 700 операцій з плаваючою комою на кожен піксель вихідного сигналу, що приблизно в 10 разів менше, ніж у програм обробки бінокулярного потоку даних. Робоча дистанція сенсора становить 10 сантиметрів, оцінка глибини можлива на основі єдиного кадру.

Автори зазначають, що на поточному етапі розробка неідеальна. Зокрема, їй властиві деякі проблеми оптичної системи павуків-скакунчиків, такі як чутливість до освітлення, обмежений спектральний діапазон і невелике поле зору. Однак ці недоліки можна подолати, застосувавши металізи більш складної структури. Загалом вчені вважають винахід застосовним в області створення мікророботів, а також пристроїв, що проковтуються або носяться.

Раніше за допомогою метаповерхностей фізики зробили компактну поляризаційну камеру, сфокусували світло у фігуру довільної форми і в усьому видимому діапазоні, а також скрутили світло в дискретну спіраль.