Kompakt dybdesensor inspireret af øjne fra springende edderkopper

For alle vores teknologiske fremskridt, intet slår evolution, når det kommer til forskning og udvikling. Tag hoppende edderkopper. Disse små arachnider har en imponerende dybdeopfattelse på trods af deres små hjerner, giver dem mulighed for præcist at kaste sig over intetanende mål fra flere kropslængder væk.

Inspireret af disse edderkopper, forskere ved Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) har udviklet en kompakt og effektiv dybdesensor, der kan bruges ombord på mikrorobotter, i små bærbare enheder, eller i lette virtuelle og augmented reality-headset. Enheden kombinerer en multifunktionel, flade metalen med en ultraeffektiv algoritme til at måle dybde i et enkelt skud.

"Evolution har produceret en bred vifte af optiske konfigurationer og visionsystemer, der er skræddersyet til forskellige formål, " sagde Zhujun Shi, en ph.d. kandidat i Institut for Fysik og medførsteforfatter af papiret. "Optisk design og nanoteknologi giver os endelig mulighed for at udforske kunstige dybdesensorer og andre synssystemer, der er tilsvarende forskelligartede og effektive."

Forskningen er publiceret i Proceedings of the National Academy of Sciences .

Mange af nutidens dybdesensorer, som dem i telefoner, biler og videospilkonsoller, brug integrerede lyskilder og flere kameraer til at måle afstand. Face ID på en smartphone, for eksempel, bruger tusindvis af laserprikker til at kortlægge ansigtets konturer. Dette fungerer til store enheder med plads til batterier og hurtige computere, men hvad med små enheder med begrænset effekt og beregning, som smarture eller mikrorobotter?

Udvikling, det viser sig, giver en masse muligheder.

Mennesker måler dybde ved hjælp af stereosyn, hvilket betyder, når vi ser på et objekt, hver af vores to øjne samler et lidt anderledes billede. Prøv dette:Hold en finger direkte foran dit ansigt og skiftevis åbne og lukke hvert af dine øjne. Kan du se, hvordan din finger bevæger sig? Vores hjerner tager de to billeder, undersøg dem pixel for pixel, og baseret på hvordan pixels skifter, beregner afstanden til fingeren.

"Den matchende beregning, hvor du tager to billeder og udfører en søgning efter de dele, der svarer, er beregningsmæssigt belastende, " sagde Todd Zickler, William og Ami Kuan Danoff professor i elektroteknik og datalogi ved SEAS og co-senior forfatter af undersøgelsen. "Mennesker har det dejligt, stor hjerne til disse beregninger, men edderkopper gør det ikke."

Springende edderkopper har udviklet et mere effektivt system til at måle dybden. Hvert hovedøje har nogle få halvgennemsigtige nethinder arrangeret i lag, og disse nethinder måler flere billeder med forskellige mængder sløring. For eksempel, hvis en springende edderkop ser på en frugtflue med et af dens hovedøjne, fluen vil fremstå skarpere på en nethindes billede og mere sløret på en anden. Denne ændring i sløring indkoder information om afstanden til fluen.

I computersyn, denne type afstandsberegning er kendt som dybde fra defokus. Men indtil videre, at replikere naturen har krævet store kameraer med motoriserede interne komponenter, der kan tage anderledes fokuserede billeder over tid. Dette begrænser sensorens hastighed og praktiske anvendelser.

Det er her metalens kommer ind.

Federico Capasso, Robert L. Wallace professor i anvendt fysik og Vinton Hayes seniorforsker i elektroteknik ved SEAS og co-senior forfatter af papiret, og hans laboratorium har allerede demonstreret metalenses, der samtidigt kan producere flere billeder, der indeholder forskellig information. Ud fra den forskning, holdet designede en metalens, der samtidigt kan producere to billeder med forskellig sløring.

"I stedet for at bruge lagdelt nethinde til at fange flere samtidige billeder, som hoppende edderkopper gør, metalens deler lyset og danner to forskelligt ufokuserede billeder side om side på en fotosensor, " sagde Shi, som er en del af Capassos laboratorium.

En ultraeffektiv algoritme, udviklet af Zicklers gruppe, fortolker derefter de to billeder og bygger et dybdekort for at repræsentere objektets afstand.

"At være i stand til at designe metasurfaces og beregningsalgoritmer sammen er meget spændende, " sagde Qi Guo, en ph.d. kandidat i Zicklers laboratorium og medforfatter af papiret. "Dette er en ny måde at skabe beregningssensorer på, og det åbner døren til mange muligheder."

"Metalenses er en teknologi, der ændrer spil på grund af deres evne til at implementere eksisterende og nye optiske funktioner meget mere effektivt, hurtigere og med meget mindre omfang og kompleksitet end eksisterende linser, ", sagde Capasso. "Sammensmeltning af gennembrud inden for optisk design og computational imaging har ført os til dette nye dybdekamera, der vil åbne op for en bred vifte af muligheder inden for videnskab og teknologi."