CC BY
33
СОВРЕМЕННЫЕ СИСТЕМЫ ВИДЕНИЯ И ЗРЕНИЕ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Петров Н.И.1, Данилов В. А.2 ©
Главный научный сотрудник, д.ф.-м.н.; 2Научный сотрудник, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва
Аннотация
Рассмотрена аналогия между недавно созданными фасеточными оптическими системами видения и давно существующими в природе фасеточными глазами насекомых. Показано, что принцип устройства фасеточного глаза можно использовать для разработки интегрированных оптико-электронных систем с широким угловым полем, в том числе систем кругового обзора. Камеры, разработанные по принципу фасеточного глаза насекомых могут быть использованы в системах видеонаблюдения и контроля, а также в биологии и медицине.
Ключевые слова: микролинзовые массивы, фасеточные глаза насекомых, камеры видеонаблюдения.
Keywords: microlens arrays, free-form lenses, compound eyes of insects, multi-scale cameras.
При разработке новых систем видения и контроля оказывается полезным использование природных моделей. Хотя реализация таких моделей в технике не всегда возможна, использование аналогий в последние годы позволило разработать новые системы видеонаблюдения и контроля.
В живой природе кроме системы зрения в виде глаз, существует мир беспозвоночных обитателей - насекомых, наделенных зрением, принципиально отличающимся от бинокулярного глазного зрения. Оно называется фасеточным.
Фасеточные глаза насекомых неподвижны. Они расположены по бокам головы и могут занимать почти всю её поверхность (например, у стрекоз, мух, пчёл).
Фасеточный глаз насекомого представляет собой компактное образование из тысяч маленьких глазков, расположенных на поверхности головы насекомого (Рис. 1). Как видно из рисунка, поверхность глаза покрыта периодической структурой микролинз.
Рис. 1. Фасеточный глаз: а) строение глаза насекомого, б) оптическая схема фасеточного
зрения.
© Петров Н.И., Данилов В.А., 2016 г.
Отметим, что оптическое разрешение отдельных фасеток (линз) значительно хуже пространственного разрешения человеческого глаза. Однако фасеточный глаз имеет ряд преимуществ, и в первую очередь - широкое поле обзора и малые габариты.
На рис. 2 представлено поперечное сечение фасеточного глаза. Информация от каждой фасетки по зрительным нервам собирается в пространственно-локализованную область для дальнейшей ее обработки.
Рис. 2. Структура фасеточного зрения
У многих мух роговая оболочка покрыта периодическим набором слоев, которые вызывают яркие цветные отражения при освещении белым светом. В зависимости от вида насекомого существует от шести до тридцати и более слоев, играющих роль фильтра.
Элементы такого глаза выполняют роль интерференционных фильтров, дифракционных решеток, многомодовых волноводов и волноводных переменных аттенюаторов.
Одним из основных элементов фасеточного глаза является микролинзовый массив, покрывающий полусферическую поверхность. Отметим, что микролинзовые системы широко используются при решении ряда научных и практических задач (мониторинг, обнаружение объектов, целеуказание и др.), когда возникает необходимость обзора пространства в широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по углу места), в полусфере или даже в полной сфере.
Микролинзовые элементы используются в современных оптических системах, таких как светодиоды, гомогенизаторы световых пучков и т.д. В [1-4] микролинзовые массивы были предложены для подсветки дисплеев. Была разработана компьютерная программа для расчетов и оптимизации микролинзовых массивов для различных применений (Рис. 3).
squE
hexagonal
Basis of lens
4 -S -a ■+ * I I 3 H 1
Рис. 3. Профили поверхностей линз микролинзового массива [1, 2].
Исследовано влияние параметров источника света (длина волны, радиус кривизны волнового фронта, радиус пучка, пространственная и временная когерентность) и микролинзового массива (профиль и форма поверхности массива, и др.) на выходные параметры (распределение интенсивности, диаграмма излучения, оптическая эффективность) дифрагированного пучка света [2].
Рассмотрены эффекты частичной когерентности и поляризации света, рандомизации параметров микролинзового массива и непараксиальности. На рис. 3 показаны профили поверхностей линз разработанных микролинзовых массивов. Такие микролинзовые структуры с различными формами границ (квадратные, гексагональные и т.д.) были разработаны и изготовлены прототипы [1, 2].
Фасеточные элементы free-form optics сейчас широко применяются в системах освещения. В [3, 4] микро линзы преломляющего и отражающего типа были предложены для подсветки экранов дисплеев. Необходимый профиль поверхности линз может быть получен с помощью решения системы дифференциальных уравнений первого порядка. Анализ основан на использовании законов Снеллиуса на границе раздела двух сред и сохранения энергии излучения. Распределение интенсивности на заданном экране было получено с помощью трассировки лучей, используя программу Zemax (Рис. 4).
Рис. 4. Поперечное сечение линзы и траектории лучей. 3Д модель линзы в ZEMAX
На рис. 5 показано распределение интенсивности полученное на расстоянии 10 мм от светодиодного чипа размером 1х1 мм2.
в ~ * ::
та
Рис.5. Область подсветки и распределение интенсивности в поперечной плоскости
Существенное уменьшение толщины оптической системы удается получить при использовании линзы отражательного типа (Рис. 6).
X COORDINATE VALUE
INCOHERENT IREflOlRNCE
Рис. 6. Линза отражательного типа. Распределение интенсивности в поперечном сечении
пучка излучения
Отметим, что хотя оптические, фотографические, электронно-оптические и телевизионные системы отличаются от зрительных систем живых организмов, общим для них является то, что они передают и сохраняют информацию в виде изображения. Поэтому часто методы, применяемые для исследования технических систем передачи и хранения изображений, переносят на биологические зрительные системы. Такой подход позволяет учесть пропускную способность зрительного анализатора и полезен при разработке новых систем телевизионной связи. Однако еще слишком мало известно об основных операциях, происходящих в зрительной системе, и об их механизмах, которые обеспечивают столь эффективную передачу информации из внешней среды.
Для понимания процессов, происходящих в зрительной системе, и создания новых алгоритмов видения, новых чувствительных элементов и регистрирующих приборов большой интерес представляет моделирование механизмов фоточувствительности по аналогии с механизмами зрения живых организмов. Моделирование механизмов фоточувствительности возможно на основе фотозарядового эффекта [5, 6], который состоит в появлении разности потенциалов в образце, освещаемом оптическим излучением.
Принцип устройства фасеточного глаза можно использовать для разработки интегрированных оптико-электронных систем с широким угловым полем, в том числе систем кругового обзора, и при этом добиться высокого пространственного разрешения, значительно более высокого, чем у фасеточного глаза.
Идея фасеточного зрения вполне подходит для построения обзорно-панорамной оптико-электронной системы. Такие системы используются, например, для видеонаблюдения, обнаружения и локации импульсных целей. Отсутствие механического сканирования является в последнем случае решающим достоинством. Они представляют также интерес для целей спутникового наблюдения и аэровидеосъемки (Рис. 7).
Рис. 7. Сферическая конструкция камеры для спутникового наблюдения и
аэровидеосъемки
В последние годы появились сообщения [7] о разработках оптико-электронных систем высокого разрешения, в которых используется мозаичный (фасеточный) принцип построения углового поля с помощью макрообъективов с фокальными матрицами.
Одной из таких систем является моноцентрическая многомасштабная камера AWARE-2 с углом обзора 120° на 50° и с углом обзора одного пикселя 38 Цгай [6]. На рис. 8 показана конструкция такой камеры, состоящей из множества микрокамер на полусфере [8]. Отметим, что одной из проблем при разработке таких камер является передача больших объемов информации в реальном времени по электронному каналу и дальнейшая обработка и сохранение. Поэтому большую актуальность приобретают разработка технологий изготовления быстродействующих фотоприемников высокого разрешения и алгоритмов параллельной компьютерной обработки сигналов.
Рис. 8. Микрокамеры на полусфере [8].
Таким образом, камеры разработанные по принципу фасеточного глаза насекомых могут сформировывать панорамный обзор и применяться во многих сферах, например для спутникового наблюдения и аэровидеосъемки, в медицине для создания нового класса эндоскопов, а также в области спорта, например, для панорамной съемки на стадионах.
Литература
1. N. I. Petrov, J. J. Kim, H. S. Jeong, and D. H. Shin. "Diffraction of partially-coherent light beams by micro-lens arrays", Frontiers in Optics2006/Laser Science Conference, Rochester, USA, 2006, Paper FTuM2.
2. N. I. Petrov. "Effects of Light Coherence for Micro- Lens Arrays," in Frontiers in Optics, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2008), paper FThU3.
3. N. I. Petrov. Design of Freeform Lenses for Illumination. EuroDisplay2013, 16-19 Sept, London, 2013. - P. 39-40.
4. N. I. Petrov. - Reflection and Transmission of Light Beams at a Curved Interface: Coherent State Approach // American Journal of Optics and Photonics. - 2015. - v. 3. - no. 2. - P. 30-33.
5. V. I. Pustovoit, O. Ivanov, M. Borisov - Photo-charge effect in conductors//Physics Letters A.- 1989. - v. 135. - no. 1. - P. 59-61.
6. V. I. Pustovoit, O. Ivanov, M. Borisov - Surface photon-charge effect in conductors// Solid State Commun.
- 1989. - v.72. - no.6. - P. 613-619.
7. D. J. Brady, M. E. Gehm, R. A. Stack, D. L. Marks, D. S. Kittle, D. R. Golish, E. M. Vera, and S. D. Feller
- Multiscale gigapixel photography // Nature. - 2012. -v.486. - P. 386-389.
8. D. R. Golish, E. M. Vera, K. J. Kelly, Q. Gong, P. A. Jansen, J. M. Hughes, D. S. Kittle, D. J. Brady, and M. E. Gehm - Development of a scalable image formation pipeline for multiscale gigapixel photography // Optics Express. - 2012. - Vol. 20. - No. 20. - P. 22048-22062.
