Инженеры при помощи 3D-печати впервые подарили микрокамерам "орлиное зрение"

"Орлиный глаз" является синонимом остроты зрения.

Фото Steve Jurvetson/Wikimedia Commons.

А √ линзы, напечатанные на 3D-принтере. B √ фрагмент одной группы линз.

Фото Simon Thiele/ Carla Schaffer/AAAS.

Пример изображения: слева √ обычное, справа √ с "орлиной" фокусировкой, которую обеспечивает центральная ямка.

Иллюстрация Simon Thiele/ Carla Schaffer/AAAS.

Откуда черпают вдохновение инженеры, когда создают беспилотные летательные аппараты? Часто они ориентируются на природные "решения", а именно на птиц. Но если ранее при конструировании учёные обращали внимание в основном на механику полёта пернатых, то теперь решили обратиться к ещё одной их особенности – острому зрению.

Как известно, у птиц зрение является самым важным чувством, поскольку оно обеспечивает безопасный и эффективный полёт. Именно поэтому у них имеется ряд приспособлений, отвечающих за более высокую остроту зрения по сравнению с другими группами позвоночных. Рекордсменами по остроте зрения являются хищные птицы, которые превосходят человека по этому показателю как минимум в пять раз. Например, орёл способен обнаружить зайца на земле с высоты 3,2 километра – это как если бы человек замечал муравьёв с высоты десятиэтажного здания.

Остроту зрения птицам обеспечивает крупный (относительно тела) размер глаз, а также их форма (она напоминает форму трубы, благодаря чему на сетчатке получается бо́льшее изображение) плюс высокая плотность рецепторов на квадратный миллиметр.

Изучив эти особенности, специалисты из Штутгартского университета, создающие камеры для беспилотников, заключили: один объектив хорошо, а четыре линзы лучше. В результате немецкие инженеры представили миниатюрную камеру, которая создаёт чёткость изображения в центре кадра, как у птиц.

Пример изображения: слева √ обычное, справа √ с "орлиной" фокусировкой, которую обеспечивает центральная ямка.
Пример изображения: слева √ обычное, справа √ с "орлиной" фокусировкой, которую обеспечивает центральная ямка.
Иллюстрация Simon Thiele/ Carla Schaffer/AAAS.

Примечательно, что камеру напечатали на 3D-принтере, и это первый случай, когда трёхмерная печать помогла создать объект со сложной системой обработки изображений.

Сама система получила название foveated imaging – то есть "ямка, образующая изображение". Это отсылка к двойной центральной ямке у птиц, которая обеспечивает пернатых бинокулярным зрением.

"Эта ямка является общей особенностью всех хищных птиц. И она даёт преимущество в наблюдениях как птице, так и беспилотному летательному аппарату, когда нужно следить за окрестностями и в то же время получать максимум информации об объекте наблюдения", — поясняет соавтор работы Симон Тиле (Simon Thiele).

Конструкция камеры включает четыре линзы с разным фокусным расстоянием и полем зрения от 20 до 70 градусов.

 

По сравнению с традиционными зум-объективами, которые также помогают получать снимки с высоким разрешением, новая технология имеет свои преимущества. Во-первых, размер линз сравним с кристаллом соли, и такие крошечные параметры позволят наделить "орлиным зрением" практически любое устройство. Во-вторых, 3D-печать сильно удешевляет производство. "Традиционный подход потребует огромных усилий и, скорее всего, стоимость производства будет от 10 до 1000 раз выше", — отмечает Тиле.

По словам авторов разработки, их технология найдёт применение во многих областях: её можно использовать при создании эндоскопов нового поколения, оптических датчиков или дронов, предназначенных для наблюдения за какими-либо объектами.

А √ линзы, напечатанные на 3D-принтере. B √ фрагмент одной группы линз.
А √ линзы, напечатанные на 3D-принтере. B √ фрагмент одной группы линз.
Фото Simon Thiele/ Carla Schaffer/AAAS.

В дальнейшем команда планирует усовершенствовать процесс производства: сократить время создания самой камеры и нанесения на неё антибликового покрытия. Пока что 3D-печать одной линзы занимает несколько часов.

Подробнее процесс создания камеры, которая подарит устройствам "орлиное зрение", описан в статье, прочитать которую можно в журнале Science Advances.

Кстати, проект "Вести.Наука" рассказывал об экшн-камере, которая поможет увидеть мир глазами насекомого в 3D.

Напомним также, что ранее инженеры напечатали на 3D-принтере "собачий нос", который оказался эффективнее всех существующих детекторов.