Inspirerade av bönsyrsräkans visuella system – bland de mest komplexa som finns i naturen – har forskare skapat en ny typ av kamera som avsevärt kan förbättra bilarnas förmåga att upptäcka faror under utmanande bildförhållanden.

Den nya kameran åstadkommer denna bedrift genom att detektera en egenskap hos ljus som kallas polarisering och har ett dynamiskt omfång på cirka 10, 000 gånger högre än dagens kommersiella kameror. Dynamiskt omfång är ett mått på de ljusaste och mörkaste områdena en kamera kan fånga samtidigt. Med dessa, kameran kan se bättre under körförhållanden som övergången från en mörk tunnel till starkt solljus eller under disiga eller dimmiga förhållanden.

I Optica , The Optical Societys tidskrift för forskning med hög effekt, forskarna beskriver den nya kameran, som kunde masstillverkas för så lite som 10 dollar styck. Forskarna säger att den nya kameran skulle göra det möjligt för bilar att upptäcka faror, andra bilar och människor tre gånger längre bort än färgkameror som används på bilar idag.

"I en nyligen inträffad krasch med en självkörande bil, bilen kunde inte upptäcka en semi-lastbil eftersom dess färg och ljusstyrka blandas med himlen i bakgrunden, " sa forskargruppsledare Viktor Gruev vid University of Illinois i Urbana-Champaign, USA. "Vår kamera kan lösa det här problemet eftersom dess höga dynamiska omfång gör det lättare att upptäcka föremål som liknar bakgrunden och polariseringen av en lastbil är annorlunda än den på himlen."

Förutom biltillämpningar, forskarna undersöker att använda kamerorna för att upptäcka cancerceller, som uppvisar en annan ljuspolarisation än normal vävnad, och förbättra havsprospekteringen.

"Vi börjar nå gränsen för vad traditionella bildsensorer kan åstadkomma, sa Missael Garcia, tidningens första författare. "Vår nya bioinspirerade kamera visar att naturen har många intressanta lösningar som vi kan dra nytta av för att designa nästa generations sensorer."

Efterliknar räksyn

Mantis räkor, en grupp som inkluderar hundratals arter över hela världen, har ett logaritmiskt svar på ljusintensiteten. Detta gör räkan känslig för ett högt intervall av ljusintensiteter, så att de kan uppfatta mycket mörka och mycket ljusa element inom en enda scen.

För att uppnå ett liknande högt dynamiskt omfång för sin nya kamera, forskarna justerade hur kamerans fotodioder omvandlar ljus till en elektrisk ström. Istället för att driva fotodioderna i omvänt bias-läge - som traditionellt används för avbildning - använde forskarna framåt bias-läge. Detta ändrade den elektriska strömutgången från att vara linjärt proportionell mot ljusinsläppet till att ha ett logaritmiskt svar som räkan.

För polarisationskänsligheten, forskarna efterliknade hur mantisräkan integrerar detektering av polariserat ljus i sina fotoreceptorer genom att deponera nanomaterial direkt på ytan av bildchipet som innehöll de framåtriktade fotodioderna. "Dessa nanomaterial fungerar i huvudsak som polarisationsfilter på pixelnivå för att detektera polarisering på samma sätt som mantisräkan ser polarisering, sa Gruev.

Även om traditionella processer för tillverkning av bildsensorer kan användas för att tillverka sensorerna, de är inte optimerade för att göra fotodioder som arbetar i en framåtriktad förspänning. Att kompensera, forskarna utvecklade ytterligare bearbetningssteg för att rensa upp bilderna och förbättra signal-brusförhållandet.

Tar med kameran på vägen

Efter att ha testat kameran under olika ljusintensiteter, färger och polarisationsförhållanden i labbet, forskarna tog med kameran i fält för att se hur väl den fungerade i skuggor såväl som under ljusa förhållanden. "Vi använde kameran under olika körljusförhållanden som tunnlar eller dimmiga förhållanden, sa Tyler Davis, en medlem av forskargruppen. "Kameran hanterade dessa utmanande bildförhållanden utan problem."

Forskarna arbetar nu med ett företag som tillverkar krockkuddar för att se om den nya kamerans höga dynamiska räckvidd och polarisationsavbildningsförmåga kan användas för att bättre upptäcka objekt för att antingen avvärja en kollision eller utlösa krockkudden några millisekunder tidigare än vad som är möjligt för närvarande. .

Utforska havet

Forskarna fick också medel för att använda det nya bildsystemet för att göra små GoPro-liknande kameror som kunde användas för att utforska havet. Medan GPS-system som de i mobiltelefoner inte fungerar under vatten, den nya kamerans polarisationsdetekteringsförmåga gör att den kan använda polariseringen av solljus i vatten för att beräkna platskoordinater. Dessutom, kamerans höga dynamiska omfång skulle kunna användas för att spela in bilder av hög kvalitet under vatten.

"Vi kommer full cirkel genom att ta kameran, som var inspirerad av mantisräkor, till olika tropiska hav för att lära dig mer om hur denna räka beter sig i sin naturliga livsmiljö, " sade Gruev. "De bor i grunt vatten och begraver sig under koraller eller i en liten håla. Detta skapar en utmanande bildsituation med högt dynamiskt omfång eftersom det är mycket ljus i vattnet men svaga förhållanden inuti hålen."