Новости

Фасеточное зрение – новое перспективное направление в оптико-электронных системах.

Дата публикации: 26/06/2009
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

В последние годы в прикладной оптике появилось направление по разработке искусственных аналогов фасеточных глаз. Это предвещает революцию в области разработки микроминиатюрных систем видеонаблюдения и контроля.

Каковы же достоинства фасеточных глаз, если рассматривать их применительно к функционированию оптико-электронных систем? Прежде всего, это большое угловое поле.

Маленькие "глазки"-омматидии направлены во все стороны и могут охватывать огромное угловое поле вплоть до полной сферы.
Фасеточный глаз способен быстро обнаруживать движение, поскольку его временная инерционность в 15 раз меньше, чем у глаза человека.
Следует отметить также однородность чувствительности, большую глубину изображаемого пространства, стериоскопичность зрения, чувствительность к поляризации излучения и, наконец, поразительную миниатюрность фасеточных глаз.
Однако фасеточному глазу присуще низкое пространственное разрешение, которое следует из принципов пространственной дискретизации.

В глазе человека, как и в системах с фокальными матрицами, дискретизация пространства, разделение его на пикселы происходит в области изображения (на пикселы делится полученное объективом изображение). В фасеточном глазе дискретизация осуществляется в пространстве объектов (каждый глаз, или микрообъектив, видит только "свою" область пространства).
Очевидно, что при малых значениях фокусного расстояния микролинз пространственное разрешение хуже, чем у длиннофокусных объективов.

Усилия разработчиков технических аналогов фасеточного глаза направлены на то, чтобы реализовать преимущества фасеточного зрения и при этом получить высокое пространственное разрешение.
Фасеточные глаза - сложные глаза, основной парный орган зрения насекомых, ракообразных и некоторых других беспозвоночных. Они образованы особыми структурными единицами - омматидиями, роговичная линза которых имеет вид выпуклого шестигранника - фасетки.

Фасеточные глаза насекомых неподвижны, расположены по бокам головы и могут занимать почти всю ее поверхность. Глаза различных видов насекомых состоят из большого числа омматидиев: у рабочего муравья - около 100, у комнатной мухи - около 4000, у рабочей пчелы - 5000, у бабочек - до 17000, у стрекоз - до 30000.

В зависимости от анатомических особенностей омматидиев и их оптических свойств различают 3 типа фасеточных глаз: аппозиционные, оптикосуперпозиционные и нейросуперпозиционные.
В аппозиционных глазах смежные омматидии постоянно изолированы друг от друга непрозрачным пигментом, и рецепторы воспринимают излучение, направление которого совпадает с осью данного омматидия.

С точки зрения технической реализации наиболее проста аппозиционная модель. Ее можно представить как сопряженные матрицы микролинз и фоторецепторов, воспринимающих поток излучения данного направления.

При решении ряда научных и практических задач (мониторинг, обнаружение объектов, целеуказание и др.) возникает необходимость обзора пространства в широкой кольцевой зоне (360° по азимуту, десятки градусов по углу места), в полусфере или даже в полной сфере.

Обычные объективы (макроскопические системы), направленные в различные стороны, например выстроенные по окружности и перекрывающие таким образом своими угловыми полями кольцевую зону, - вполне подходящая идея 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, к которому следует добавить возможность использования объективов с большими входными зрачками. Однако при внимательном рассмотрении возможностей таких систем выясняется, что число оптических каналов должно составлять порядка десяти. При меньшем числе каналов, угловое поле в 60° могут обеспечить лишь достаточно сложные по конструкции объективы, при этом следует стремиться к увеличению размеров фокальных матриц. Наибольшие из известных сегодня матриц многоэлементных приемников излучения имеют формат порядка одного дюйма по диагонали.

Увеличение числа независимых оптических каналов порождает громоздкие конструкции, создает проблему стыковки большого числа угловых полей независимых каналов.
Решение этой проблемы было найдено путем создания интегрированной конструкции обзорно-панорамной системы, которая по своей структуре и свойствам существенно ближе к фасеточным системам зрения.
Она содержит n штук секторных объективов, образующих кольцо. Пространство объектов делится секторами на n равных частей, и каждая соответствует азимутальному углу величиной 360°/n. Внешняя (входная) поверхность каждого сектора является светосильной, может быть сферической или асферической. Выходная поверхность (торец) - плоская.
Изображение создается в плоскости торца, где может располагаться приемник излучения или оптическое волокно, подводящее поток излучения к приемнику излучения. При использовании одноэлементных приемников излучения такая система может применяться для обнаружения движения, для обнаружения импульсных целей и измерения их азимутальных координат с погрешностью 3°- 5°. По углу места угловое поле может достигать 30°- 40°.

Достоинством панорамной системы с секторными объективами является не только сравнительная компактность конструкции. Использование одноэлементных приемников излучения позволяет более свободно варьировать спектральными диапазонами, обеспечить высокое быстродействие системы, низкий уровень внутренних шумов.
Более того, боковые поверхности секторов, обработанные соответствующим образом, выполняют функции бленды, расположенной перед приемником излучения, который при этом работает "со дна колодца", когда боковые помехи подавляются блендой.

В последние годы в ряде исследовательских лабораторий предприняты попытки технической реализации фасеточного зрения. Они направлены на решение важной проблемы выбора взаимного размещения микролинзы и приемника. Дело в том, что для получения значительного поля обзора микролинзы и матрицы приемников излучения должны быть размещены на неплоской, например сферической, поверхности. В то же время хорошо разработанные полупроводниковые технологии и технологии изготовления микролинз приспособлены к плоским поверхностям. Перспективный метод изготовления матриц микролинз, размещенных на сферической поверхности, предложен в Калифорнийском университете Беркли.

Микролинзы располагаются на купольной поверхности из эпоксидной смолы. Каждая микролинза сопряжена с оптическим волокном, подводящим поток излучения к приемнику излучения. Основным направлением разработок мозаичных микрооптических систем является миниатюризация технических устройств и получение объемных изображений.

Миниатюрность мозаичных систем определяет перспективы их применения в мобильных фотокамерах. В Японии разработаны миниатюрные фасеточные линзы, позволяющие создать фотокамеры размером и толщиной не более 2 мм.
Оснащение мобильных устройств, например телефонов, такими камерами выводит их на новый технологический уровень. В Фраунгоферовском институте прикладной оптики г.Иена (Германия) разработан прототип плоской цифровой фотокамеры толщиной менее 1 мм.

С помощью такой камеры можно, например, сделать пластиковую карту, которая будет узнавать хозяина в лицо. Компактные мозаичные системы позволяют распознавать объекты, обнаруживать движение и поэтому могут исполь-зоваться для контроля ситуаций на дороге, в робототехнике. Ученые из Австралии разработали "микросамолет" весом в 75 граммов, который предназначен для исследования Марса. Летательный аппарат оснащен фасеточной камерой, позволяющей фиксировать распределение ультрафиолетового излучения, определять расстояние до деталей ландшафта, ориентироваться в пространстве.

Масса микрооптической фасеточной камеры не превышает сотен миллиграмм. С помощью микролинзовой мозаичной системы может быть получено и объемное изображение. В Стэнфордском университете (США) разработана камера, в которой используется 12616 микрообъективов, каждый из которых работает на участок в 256 пикселов трехмегапиксельной матрицы.
Камера может дополняться внешним макрообъективом, при котором каждая точка изображения, создаваемого макрообъективом, попадает минимум в четыре микрообъектива. При портретной съемке кроме объемной фотографии может быть получена информация о расстоянии до деталей лица, поэтому одно из применений камеры - распознавание лиц в системах обеспечения безопасности.
Камера может использоваться для трехмерной печати, трехмерного моделирования зданий.

Природа дает нам замечательный пример построения зрительной системы в виде фасеточного глаза. Обладая значительно худшим пространственным разрешением, чем глаз человека, фасеточный глаз имеет ряд преимуществ, и в первую очередь- широкое поле обзора и малые габариты.
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.

Источник: «ФОТОНИКА», 2009, №1, с.22-26, www.electronics.ru

Статьи по теме:

страницы: 1