Utveckling av ett virtuell verklighetsliknande projektionssystem för att studera insekters syn kan så småningom förse det amerikanska flygvapnet med en ny typ av navigationssystem.

University of Alabama i Huntsville (UAH) är den ledande institutionen som samarbetar med Polaris Sensor Technologies Inc. i Huntsville under tre år, 1 miljon dollar anslag från Fas II Small Business Technology Transfer (STTR) för att testa olika skärmmaterial och sedan designa och bygga ett scenprojektionssystem för insektsexperiment för flygvapnet.

UAH och Polaris genomförde framgångsrikt en fas I-anslagsstudie och uppmuntrades att lämna in ett förslag till det konkurrensutmärkta Fas II-programmet. Teamet har nyligen fått besked om att deras förslag är en vinnare. Polaris Sensor Technologies kommer att göra designarbetet och UAH ansvarar för forskning om komponentmaterial och system. Kammaren kommer att byggas i UAH Optics Building.

Flygvapnet är intresserade av att lära sig hur insekter använder polarisationssyn, säger Dr Don Gregory, UAH framstående professor i fysik. Polarisering involverar den geometriska orienteringen av ljusvågsvängningar, en egenskap som insekterna upptäcker och använder på något sätt för att rikta sig.

"Många insekter kan se och använda optisk polarisering. Till exempel, vissa insekter kan se det partiella polarisationsmönstret på himlen, som vi inte kan se utan instrument. Så tänk på scenarier där GPS inte är tillgänglig, till exempel längst ner i "urban canyons". Hur navigerar du?" frågar Dr. Gregory. "Några insekter, inklusive bin, myror och gräshoppor, navigera genom att känna av det himmelska polarisationsmönstret, och det skulle vara ganska coolt att förstå hur de gör det och utnyttja mekanismen för att hantera GPS-nekas situationer."

För att ta reda på hur insekterna utnyttjar polarisering och färgseende, Flygvapnets forskare behöver först en experimentell miljö som ger realistiska visuella stimuli för insekterna.

"Vi vill att insekten ska tro att den är utanför, " säger Dr. Gregory.

Det finns två utmaningar för att få det att hända. Först, skärmen som används för att skapa miljön måste noggrant representera ljusspektrumet och polariseringen som matas in i den under ett experiment. För det andra, skärmens uppdateringsfrekvens måste vara högre än den hastighet med vilken insekten som testas upplever jämn rörelse snarare än bara en serie bilder som uppdateras, kallas dess flimmerfusionsfrekvens.

Det finns två möjliga skärmtyper för att projicera experimentella bilder till insekter. Man använder ett reflekterande dukmaterial som studsar tillbaka projicerade bilder som en filmduk. Den andra använder en transmissiv skärm som visar bilder som projiceras på den bakifrån, liknande projektions-TV-skärmar.

Att hitta det bästa materialet för båda typerna av skärmar är Bill Walkers jobb, som är en doktorand i fysik med en optikkoncentration.

"Det vi utvecklar är en IMAX-liknande skärm för insekter, " säger Walker. "Vad jag gör är att testa kandidatmaterial för skärmen." Det faktum att insekter kan se i ett bredare spektrum än människor bidrar till utmaningen. "Det måste vara synligt med ultraviolett ljus genom mänsklig räckvidd, och jag vet att UV-serien är en svår nöt att knäcka."

I labbet, Walker använder en monokromator för att välja våglängder av ljus han koncentrerar sig på en provbit av potentiellt skärmmaterial, och mäter sedan mängden ljus som reflekteras eller sänds över en 180-graders båge, allt samtidigt som man övervakar reproduktionens trohet mot våglängderna och polariseringen som matas in.

"Det viktigaste jag mäter är mängden ljus som antingen passerar genom eller reflekteras från skärmen, beroende på vinkeln, säger Walker.

Hans arbete utökas med forskning om polarisering genom spridning gjord av teammedlemmen Ahmed Elsehly, en doktorand i optisk vetenskap och teknik som också har en primär roll som forskarnas expert på Zemax optisk designprogramvara de använder.

"Zemax är industristandarden för optisk programvara, och jag skulle säga att det inte finns någon på universitetet som förstår det bättre än Ahmed, " säger Dr. Gregory.

Det andra hindret för virtuell verklighet för insekter är skärmens uppdateringsfrekvens, som hanteras av Samantha Gregory, Dr. Gregorys dotter och en doktorand i fysik.

"Halva utmaningen att få dem att tro att det som skärmen visar dem är verkligt är att få skärmen att flimra snabbare än vad insekten kan upptäcka, " säger hon. Det är en bra bedrift, eftersom hastigheten med vilken insekten ser separat uppdateras som en kontinuerlig bild i rörelse, som kan vara så hög som 400 Hz, är långt över visningshastigheten på cirka 60 Hz där människor ser rörliga saker på en skärm som kontinuerlig rörelse.

"Att vara framgångsrik, vi måste bara arbeta över de 400 Hz, säger Samantha Gregory.

UAH/Polaris-designen använder samma digitala mikrospegelenhetsteknik (DMD) som används i den senaste generationens filmprojektorer, Dr. Gregory säger.

Han jämför uppdateringsfrekvensen med handlingen att rita figurer på många spelkort, vänd dem sedan för att få figuren att röra sig. "Om den vänder tillräckligt snabbt, det ser ut som en kontinuerlig rörelse."