Сочетая особенности зрительной системы омара и африканской рыбы, инженеры из Висконсинского университета в Мадисоне создали глаз ночного видения. Изобретение станет компонентом поисково-спасательных роботов или хирургического оборудования для изучения затемненных объектов.

Вдохновленные феноменом живой природы, исследователи разработали подход, который, в отличие от других методов, улучшает ночное видение через совершенствование оптической системы, а не рецептивного поля. Результаты опубликованы в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences».

Фотографы любители, пытаясь запечатлеть луну на свои телефонные видеокамеры, знакомы с ограничением, которое накладывает слабое освещение. Ночная съемка требует длительной экспозиции, поэтому незначительные колебания объектива размывают изображение. Однако нечеткие фотографии являются результатом не только колебаний объектива.

Плохое качество изображения совершенно недопустимо в работе роботов-миноискателей, оборудования для лапароскопии и телескопов.  Их операторы должны получать четкую картину в условиях полной темноты.

«В наши дни, мы все больше полагаемся на зрительную информацию. Любые технологии, позволяющие расширить возможности зрения, имеют высокий потенциал», сказал Hongrui Jiang, профессор электротехнической, вычислительной и биомедицинской инженерии Висконсинского университета в Мадисоне.

Большинство усилий в области улучшения ночного видения направлено на тонкую подстройку «сетчатки» искусственного глаза — изменения материалов или электронных компонентов датчиков цифровой камеры — так, что она точнее реагирует и обрабатывает поступающие лучи света.

Однако, чем настойчиво пытаться повысить чувствительность заднего отдела глаза, группа Jiang работает над повышением интенсивности поступающего через передний отдел глаза света и его фокусировки на сетчатке. Исследователей вдохновила стратегия выживания двух водных организмов.

Африканская рыбка Нильский слоник (Gnathonemus petersii) имеет уникальную структура сетчатки. Она не ровная, а состоит из тысяч крошечных кристаллических колпачков. Эти миниатюрные сосуды собирают и повышают интенсивность света, помогая различать хищников.

Сетчатка рыбки слоника Gnathonemus.

(A) Вертикальный срез через весь глаз.

(B) Радиальный полутонкий срез через регион, указанный на (A). Внутренняя сетчатка покрыта кристаллическими колпачками, содержащими светочувствительные внешние сегменты колпачков (COSs). Стержневые внешние сегменты (ROSs) располагаются под колпачками и окружены гигантскими пигментными клетками эпителия сетчатки (RPE).

(C) Поперечный срез через колпачки на уровне, указанном в (B). Светлые голубые круги внутренние сегменты конуса; стержневые внутренние сегменты слишком тонкие и не видны.

(D) Свет отражается от колпачков; вид сверху на интактную сетчатку с использованием конфокального микроскопа в отраженном свете.

(E) Изображение 6-ти отдельных RPE клеток, вид сверху как в (D). Клетки смещены друг относительно друга для демонстрации того, как отраженный свет фокусируется в колпачке.

(F) Сканирующая электронная микроскопия нескольких пучков (bundles) фоторецепторов, заполняющих колпачки.

(G) Полутонкий срез колпачка в качестве модели для воспроизведения светочувствительных внешних сегментов колпачков у их дна и стержневых внешних сегментов немного ниже. Эти ROSs окружены RPE клетками, содержащими кристаллы гуанина и меланина.

(H) Воспроизведение распределения в колпачке интенсивности света, падающей плоской волны широкого спектра (525 до 725 нм). COSs принимают 500% от интенсивности падающего света, тогда как ROSs принимают менее 20%. Цветовая шкала показывает местное возрастание интенсивности.

(I) Радиальная электронная микрофотография ламелл гуанина вдоль внутренней поверхности колпачка при криоскалывании.

(J и K) Просвечивающие электронные микрофотографии поперечных срезов через стенку колпачка, ряды ламелл (J) и их участки с нерегулярными кристаллами (K). Масштаб: 2 мм (A), 50 мм (B до F), 20 мм (G), 2 мм (I), 1 мм (J) и (K).

Hongrui Jiang задался вопросом, почему бы не использовать эту идею и не повысить фокусировку света?

Группа воссоздала кристаллические колпачки, путем создания тысяч мелких параболических зеркал, каждый высотой как зерно пыльцы. Исследователи сформировали ряды фокусирующих свет структур на поверхности однородного полусферического купола. На подобное расположение колпачков ученых вдохновила суперпозиция сложных глаз омара, фокусирующих свет в отдельные точки и дополнительно повышающих его интенсивность.

«Мы получили четырехкратное улучшение чувствительности. Это позволяет превратить абсолютно темный образ в более различимое изображение», сказал Jiang. Разработанный глаз можно легко интегрировать с любой существующей системой визуализации.

Хотя суперпозиция сложных глаз получается очень чувствительной, обычно зрительный образ нечеткий. За возрастание интенсивности приходится платить падением четкости, потому что множество световых лучей фокусируются на отдельных точках. Группа Jiang’а фиксировала множество запечатленных изображений, обрабатывала их и получала более четкую, ясную картину.

По словам исследователя, «сложно воссоздать искусственную суперпозицию составных глаз, потому что необходим точный изгиб и выравнивание. Даже незначительное нарушение ряда приведет к нарушению всей системы».

——
news.wisc.edu/fish-eyed-lens-cuts-through-the-dark/
www.pnas.org/content/113/15/3982.full.pdf
www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22745429