Швейцарские учёные разработали искусственный фасеточный глаз

Фасеточные глаза, состоящие из множества узких светочувствительных конусов, называемых омматидиями, характерны для насекомых и ракообразных. Хотя они имеют меньшее разрешение, чем глаза позвоночных, у них есть ряд преимуществ — они менее инерционны (некоторые насекомые способны воспринимать мелькания с частотой до 300 Гц ), не требуют фокусировки и могут различать не только цвет но и направление поляризации света. Команда учёных из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) создала прототип искусственного фасеточного глаза, который использует преимущества такой конструкции.

Искусственный глаз, который учёные назвали CurvACE (CURVed Artificial Compound Eyes), состоит из 630 «омматидиев», каждый из которых представляет собой светочувствительный элемент и микролинзу, фокусирующую на него узкий пучок света. Глаз имеет угол обзора 60 градусов в вертикальной и 180 — в горизонтальной плоскости. По вертикали углы зрения разных омматидиев заданы формой микролинз, а по горизонтали — изгибом подложки, на которой расположен глаз. Такая форма продиктована технологией изготовления — светочувствительные элементы формируются на твёрдом кристалле, который затем разрезается на узкие полоски.

Глаз имеет объём всего 2,2 кубических сантиметра и весит 1,75 грамма. При промышленном производстве современный уровень техники позволит уменьшить его размеры как минимум вдвое. Основное назначение глаза — системы визуальной навигации для роботов. Глаз обладает высокой чувствительностью и динамическим диапазоном — каждый омматидий может индивидуально приспосабливаться к уровню освещённости. Такой глаз нельзя ослепить солнечным бликом. В сочетании с высоким быстродействием (прототип может выдавать до 1500 кадров в секунду), малыми размерами, отсутствием искажений по краям поля зрения и возможностью относительно просто добиться кругового или даже сферического обзора это делает его идеальным инструментом для определения положения робота в пространстве, детектирования препятствий и предотвращения столкновений.

По своим характеристикам CurvACE приблизительно соответствует глазу плодовой мушки дрозофилы. Хотя это не первая попытка создать искусственный фасеточный глаз, разработка швейцарских учёных отличается основательностью — их цель создать комплексное решение для навигации, а не просто оптический сенсор. Так же как и глаз насекомого, содержащий внутри нервный узел, осуществляющий первичную обработку изображения, СurvACE включает в себя микроконтроллер, который обрабатывает сигнал с сенсоров с помощью алгоритмов оптического потока, а так же акселерометр и гироскоп. На сайте проекта можно скачать библиотеки для работы с глазом.

Собственно электронная начинка и составляет большую часть массы и объема глаза — сам массив CMOS-сенсоров с микролинзами имеет толщину 1 мм и весит 0,36 грамма. Возможность придавать фасеточной камере любую форму и отсутствие больших линз открывают множество возможностей: такие «глаза» можно встраивать в стены помещений, в одежду или мебель для использования в системах умного дома или видеонаблюдения. Комбинируя омматидии разного типа в одном сенсоре, можно создать камеру, которая будет видеть одновременно в разных диапазонах.

Разработка CurvACE ведется с 2009 года. Общий бюджет проекта — 2,73 миллиона евро. Статья с подробным описанием проекта доступна по этой ссылке.