Глаза пауков-скакунчиков помогли разработать компактный сенсор глубины

Ученые создали сенсоры глубины изображения, принцип работы которых схож с естественным восприятием у пауков-скакунчиков и использует металинзы. Полученные инструменты намного меньше уже используемых приборов (например, камер в смартфонах) и подходят для установки на микророботов, пишут авторы в журнале Proceedings of the National Academy of Science.

Человек чувствует свет при помощи сетчатки, выстилающей глаз с внутренней стороны. Этот орган двумерен, поэтому получаемое одним глазом без учета саккад изображение также «плоское», то есть не позволяет без использования дополнительной информации оценить расстояние до объектов. Глубина воспринимается после обработки мозгом изображений от обоих глаз, так как их положение обеспечивает разные углы обзора, из-за чего образы тел вблизи оказываются смещены относительно фоновых объектов.

Человеческий мозг сложен и справляется с задачей постоянной обработки изображений. Однако некоторые животные обладают гораздо более примитивной нервной системой и не могут такого позволить. Например, членистоногие из семейства пауков-скакунчиков (Salticidae) для навигации и охоты также оценивают глубину изображения. Однако для этого они опираются не на работу мозга, а на специальное строение глаз, которое позволяет автоматически решать нужную задачу.

Все основные глаза этих пауков обладают несколькими полупрозрачными слоями сетчаток, которые воспринимают изображение разной степени размытости. Отличия этих картинок и помогают восстановить информацию о расстоянии до объектов в поле зрения. В области обработки изображений подобный алгоритм постфокусировки называется Depth From Defocus, и он уже используется в некоторых коммерческих продуктах.

Ученые из Сингапура и США под руководством Федерико Капассо (Federico Capasso) из Гарвардского университета создали компактный датчик глубины, работающий по схожим с визуальной системой пауков-скакунчиков принципам. Основное отличие новой разработки от предшествующих заключается в использовании металинз, то есть микроструктурированных поверхностей, которые обеспечивают недостижимые для традиционной оптики режимы взаимодействия с излучением. Это позволило избавиться от подвижных деталей прибора, благодаря чему удалось радикально уменьшить размер оптической системы.

При прохождении света сквозь созданную авторами металинзу диаметром 3 миллиметра пучок разделяется на две части, которые проецируют изображения разной степени размытости на соседние участки фотодетектора. Также ученые разработали новый алгоритм, который вычисляет глубину, сравнивая полученные изображения, производя менее 700 операций с плавающей запятой на каждый пиксель выходного сигнала, что примерно в 10 раз меньше, чем у программ обработки бинокулярного потока данных. Рабочая дистанция сенсора составляет 10 сантиметров, оценка глубины возможна на основе единственного кадра.

Авторы отмечают, что на текущем этапе разработка неидеальная. В частности, ей свойственные некоторые проблемы оптической системы пауков-скакунчиков, такие как чувствительность к освещению, ограниченный спектральный диапазон и небольшое поле зрения. Однако эти недостатки можно преодолеть, применив метализы более сложной структуры. В целом ученые считают изобретение применимым в области создания микророботов, а также проглатываемых или носимых устройств.

Ранее при помощи метаповерхностей физики сделали компактную поляризационную камеру, сфокусировали свет в фигуру произвольной формы и во всем видимом диапазоне, а также скрутили свет в дискретную спираль.