Geïnspireerd door het visuele systeem van de bidsprinkhaangarnaal - een van de meest complexe die in de natuur wordt gevonden - hebben onderzoekers een nieuw type camera ontwikkeld dat het vermogen van auto's om gevaren te herkennen in uitdagende beeldomstandigheden aanzienlijk zou kunnen verbeteren.

De nieuwe camera bereikt deze prestatie door een eigenschap van licht te detecteren die bekend staat als polarisatie en met een dynamisch bereik van ongeveer 10, 000 keer hoger dan de huidige commerciële camera's. Dynamisch bereik is een maat voor de helderste en donkerste gebieden die een camera tegelijkertijd kan vastleggen. Met deze, de camera kan beter zien in rijomstandigheden, zoals de overgang van een donkere tunnel naar fel zonlicht of tijdens wazige of mistige omstandigheden.

In optiek , Het tijdschrift van de Optical Society voor onderzoek met hoge impact, beschrijven de onderzoekers de nieuwe camera, die in massa geproduceerd kan worden voor slechts $ 10 per stuk. De onderzoekers zeggen dat de nieuwe camera auto's in staat zou stellen gevaren te detecteren, andere auto's en mensen die drie keer verder weg zijn dan de kleurencamera's die tegenwoordig op auto's worden gebruikt.

"Bij een recent ongeval met een zelfrijdende auto, de auto kon een semi-vrachtwagen niet detecteren omdat de kleur en lichtintensiteit zich vermengden met die van de lucht op de achtergrond, " zei onderzoeksteamleider Viktor Gruev van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, VS. "Onze camera kan dit probleem oplossen omdat het hoge dynamische bereik het gemakkelijker maakt om objecten te detecteren die op de achtergrond lijken en de polarisatie van een vrachtwagen anders is dan die van de lucht."

Naast autotoepassingen, de onderzoekers onderzoeken het gebruik van de camera's om kankercellen te detecteren, die een andere lichtpolarisatie vertonen dan normaal weefsel, en om de oceaanexploratie te verbeteren.

"We beginnen de limiet te bereiken van wat traditionele beeldsensoren kunnen bereiken, " zei Missael Garcia, eerste auteur van het artikel. "Onze nieuwe bio-geïnspireerde camera laat zien dat de natuur veel interessante oplossingen heeft waarvan we kunnen profiteren voor het ontwerpen van sensoren van de volgende generatie."

Visie van garnalen nabootsen

Mantis garnalen, een groepering die honderden soorten wereldwijd omvat, hebben een logaritmische reactie op lichtintensiteit. Dit maakt de garnaal gevoelig voor een hoog bereik aan lichtintensiteiten, waardoor ze zeer donkere en zeer heldere elementen binnen een enkele scène kunnen waarnemen.

Om een ​​vergelijkbaar hoog dynamisch bereik voor hun nieuwe camera te bereiken, de onderzoekers hebben de manier aangepast waarop de fotodiodes van de camera licht omzetten in een elektrische stroom. In plaats van de fotodiodes in reverse bias-modus te laten werken, die traditioneel wordt gebruikt voor beeldvorming, gebruikten de onderzoekers de forward bias-modus. Dit veranderde de elektrische stroomoutput van lineair evenredig met de lichtinput in een logaritmische respons zoals de garnaal.

Voor de polarisatiegevoeligheid, de onderzoekers bootsten de manier na waarop de bidsprinkhaangarnaal detectie van gepolariseerd licht in zijn fotoreceptoren integreert door nanomaterialen rechtstreeks op het oppervlak van de beeldchip te deponeren die de voorwaarts vooringenomen fotodiodes bevatte. "Deze nanomaterialen fungeren in wezen als polarisatiefilters op pixelniveau om polarisatie te detecteren op dezelfde manier als de bidsprinkhaangarnaal polarisatie ziet, ’ zei Gruev.

Hoewel traditionele fabricageprocessen voor beeldsensoren kunnen worden gebruikt om de sensoren te maken, ze zijn niet geoptimaliseerd voor het maken van fotodiodes die in voorwaartse richting werken. Compenseren, de onderzoekers ontwikkelden aanvullende verwerkingsstappen om de beelden op te schonen en de signaal-ruisverhouding te verbeteren.

De camera meenemen op de weg

Na het testen van de camera onder verschillende lichtintensiteiten, kleuren en polarisatieomstandigheden in het laboratorium, de onderzoekers namen de camera mee het veld in om te zien hoe goed hij werkte, zowel in de schaduw als in heldere omstandigheden. "We gebruikten de camera onder verschillende rijlichtomstandigheden, zoals tunnels of mistige omstandigheden, " zei Tyler Davis, een lid van het onderzoeksteam. "De camera kon deze uitdagende beeldomstandigheden probleemloos aan."

De onderzoekers werken nu samen met een bedrijf dat airbags produceert om te zien of het hoge dynamische bereik en de polarisatiebeeldvormingscapaciteit van de nieuwe camera kunnen worden gebruikt om objecten beter te detecteren om een ​​botsing te voorkomen of de airbag een paar milliseconden eerder te activeren dan momenteel mogelijk is .

De oceaan verkennen

De onderzoekers ontvingen ook financiering om het nieuwe beeldvormingssysteem te gebruiken om kleine GoPro-achtige camera's te maken die zouden kunnen worden gebruikt om de oceaan te verkennen. Terwijl GPS-systemen zoals die in mobiele telefoons niet onder water werken, Dankzij de polarisatiedetectie van de nieuwe camera kan de polarisatie van zonlicht in water worden gebruikt om locatiecoördinaten te berekenen. In aanvulling, het hoge dynamische bereik van de camera kan worden gebruikt om beelden van hoge kwaliteit onder water op te nemen.

"We maken de cirkel rond door de camera te nemen, die werd geïnspireerd door bidsprinkhaangarnalen, naar verschillende tropische oceanen om meer te weten te komen over hoe deze garnaal zich in zijn natuurlijke habitat gedraagt, ' zei Gruev. 'Ze leven in ondiepe wateren en begraven zichzelf onder koralen of in kleine holen. Dit zorgt voor een uitdagende beeldsituatie met een hoog dynamisch bereik, omdat er veel licht in het water is, maar de omstandigheden in de gaten zwak zijn."