Projektionssystem til undersøgelse af insektsyn kunne føre til nye navigationshjælpemidler

Udvikling af et virtual reality-lignende projektionssystem til at studere insektsyn kunne i sidste ende give det amerikanske luftvåben en ny type navigationssystem.

University of Alabama i Huntsville (UAH) er den førende institution, der samarbejder med Polaris Sensor Technologies Inc. i Huntsville på tre år, $ 1 million Phase II Small Business Technology Transfer (STTR) tilskud til at teste forskellige skærmmaterialer og derefter designe og bygge et insekteksperimentsceneprojektionssystem til luftvåbnet.

UAH og Polaris gennemførte med succes et fase I-bevillingsstudie og blev opfordret til at indsende et forslag til det konkurrenceprægede fase II-program. Holdet har for nylig fået besked om, at dets forslag er en vinder. Polaris Sensor Technologies vil udføre designarbejdet, og UAH er ansvarlig for forskning i komponentmaterialer og -systemer. Kammeret vil blive bygget i UAH Optics Building.

Luftvåbnet er interesseret i at lære, hvordan insekter bruger polarisationssyn, siger Dr. Don Gregory, UAH fremtrædende professor i fysik. Polarisering involverer den geometriske orientering af lysbølgeoscillationer, en egenskab insekterne opdager og på en eller anden måde bruger til at lede sig selv.

"Mange insekter kan se og bruge optisk polarisering. F.eks. nogle insekter kan se det delvise polarisationsmønster på himlen, som vi ikke kan se uden instrumenter. Så tænk på scenarier, hvor GPS ikke er tilgængelig, såsom i bunden af ​​'urban canyons'. Hvordan navigerer du?" spørger Dr. Gregory. "Nogle insekter, herunder bier, myrer og græshopper, navigere ved at fornemme det himmelske polarisationsmønster, og det ville være ret fedt at forstå, hvordan de gør det og udnytte mekanismen til at håndtere GPS-afviste situationer."

For at finde ud af, hvordan insekterne udnytter polarisering og farvesyn, Luftvåbens videnskabsmænd har først brug for et eksperimentelt miljø, der giver realistiske visuelle stimuli til insekterne.

"Vi vil have, at insektet tror, ​​det er udenfor, " siger Dr. Gregory.

Der er to udfordringer for at få det til at ske. Først, skærmen, der bruges til at skabe miljøet, skal nøjagtigt repræsentere lysspektret og polariseringen, der indlæses i det under et eksperiment. For det andet skærmens opdateringshastighed skal være over den hastighed, hvormed insektet, der testes, oplever jævn bevægelse, snarere end blot en række billeder, der opdaterer, kaldet dens flimmerfusionsfrekvens.

Der er to mulige skærmtyper til at projicere eksperimentelle billeder til insekter. Man bruger et reflekterende skærmmateriale, der hopper tilbage projicerede billeder som et filmlærred. Den anden bruger en transmissiv skærm, der viser billeder projiceret på den bagfra, svarende til projektions-tv-skærme.

At finde det bedste materiale til begge typer skærme er Bill Walkers opgave, som er en fysik kandidatstuderende med en optik koncentration.

"Det, vi udvikler, er en IMAX-lignende skærm til insekter, " siger Walker. "Det, jeg gør, er at teste kandidatmaterialer til skærmen." Det faktum, at insekter kan se i et bredere spektrum end mennesker, bidrager til udfordringen. "Det skal være synligt med ultraviolet lys gennem menneskelig rækkevidde, og jeg ved, at UV-serien er en svær nød at knække."

I laboratoriet, Walker bruger en monokromator til at vælge bølgelængder af lys, han koncentrerer sig om en prøve af potentielt skærmmateriale, og måler derefter mængden af ​​lys, der reflekteres eller transmitteres over en 180-graders bue, alt imens man overvåger gengivelsens trofasthed over for de bølgelængder og polarisering, der indlæses.

"Det vigtigste, jeg måler, er mængden af ​​lys, der enten passerer igennem eller reflekteres fra skærmen, afhængig af vinklen, " siger Walker.

Hans arbejde er forstærket af forskning i polarisering ved spredning udført af teammedlem Ahmed Elsehly, en optisk videnskab og ingeniør-ph.d.-studerende, der også tjener en primær rolle som forskernes ekspert på Zemax optisk designsoftware, de bruger.

"Zemax er industristandarden for optisk software, og jeg vil sige, at der ikke er nogen på universitetet, der forstår det bedre end Ahmed, " siger Dr. Gregory.

Den anden hindring for insektvirtuel virkelighed er skærmens opdateringshastighed, som bliver tacklet af Samantha Gregory, Dr. Gregorys datter og en kandidatstuderende i fysik.

"Halvdelen af ​​udfordringen med at få dem til at tro, hvad skærmen viser dem er ægte, er at få skærmen til at flimre hurtigere, end insektet kan opdage det, " siger hun. Det er noget af en bedrift, da den hastighed, hvormed insektet ser separate, opdateres som et kontinuerligt billede i bevægelse, som kan være så højt som 400 Hz, er et godt stykke over visningshastigheden på omkring 60 Hz, hvor mennesker ser bevægelige ting på en skærm som kontinuerlig bevægelse.

"At være succesfuld, vi skal bare operere over de 400 Hz, " siger Samantha Gregory.

UAH/Polaris-designet anvender den samme DMD-teknologi (digital micro-mirror device), som bruges i den seneste generation af filmprojektorer, Dr. Gregory siger.

Han sammenligner opdateringshastigheden med det at tegne figurer på mange spillekort, vend dem derefter for at få figuren til at bevæge sig. "Hvis den vender hurtigt nok, det ligner en kontinuerlig bevægelse."