Inspirés par le système visuel de la crevette mante, parmi les plus complexes de la nature, les chercheurs ont créé un nouveau type de caméra qui pourrait grandement améliorer la capacité des voitures à détecter les dangers dans des conditions d'imagerie difficiles.

La nouvelle caméra accomplit cet exploit en détectant une propriété de la lumière connue sous le nom de polarisation et présentant une plage dynamique d'environ 10, 000 fois plus élevé que les caméras commerciales d'aujourd'hui. La plage dynamique est une mesure des zones les plus lumineuses et les plus sombres qu'une caméra peut capturer simultanément. Avec ces, la caméra peut mieux voir dans des conditions de conduite telles que la transition d'un tunnel sombre à la lumière du soleil ou dans des conditions brumeuses ou brumeuses.

Dans Optique , Le journal de l'Optical Society pour la recherche à fort impact, les chercheurs décrivent la nouvelle caméra, qui pourrait être produit en série pour aussi peu que 10 $ pièce. Les chercheurs disent que la nouvelle caméra permettrait aux voitures de détecter les dangers, d'autres voitures et personnes trois fois plus loin que les caméras couleur utilisées sur les voitures aujourd'hui.

« Dans un récent accident impliquant une voiture autonome, la voiture n'a pas détecté un semi-camion car sa couleur et son intensité lumineuse se confondaient avec celles du ciel en arrière-plan, " a déclaré le chef de l'équipe de recherche Viktor Gruev de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, ETATS-UNIS. "Notre caméra peut résoudre ce problème car sa plage dynamique élevée facilite la détection d'objets similaires à l'arrière-plan et la polarisation d'un camion est différente de celle du ciel."

En plus des applications automobiles, les chercheurs explorent l'utilisation des caméras pour détecter les cellules cancéreuses, qui présentent une polarisation de la lumière différente de celle des tissus normaux, et d'améliorer l'exploration océanique.

« Nous commençons à atteindre la limite de ce que les capteurs d'imagerie traditionnels peuvent accomplir, " dit Missael Garcia, premier auteur de l'article. "Notre nouvelle caméra bio-inspirée montre que la nature a beaucoup de solutions intéressantes dont nous pouvons tirer parti pour concevoir des capteurs de nouvelle génération."

Imiter la vision des crevettes

Crevette mante, un regroupement qui comprend des centaines d'espèces dans le monde entier, ont une réponse logarithmique à l'intensité lumineuse. Cela rend les crevettes sensibles à une gamme élevée d'intensités lumineuses, leur permettant de percevoir des éléments très sombres et très lumineux au sein d'une même scène.

Pour obtenir une plage dynamique tout aussi élevée pour leur nouvel appareil photo, les chercheurs ont modifié la façon dont les photodiodes de l'appareil photo convertissent la lumière en courant électrique. Au lieu de faire fonctionner les photodiodes en mode polarisation inverse, qui est traditionnellement utilisé pour l'imagerie, les chercheurs ont utilisé le mode polarisation directe. Cela a changé la sortie de courant électrique d'être linéairement proportionnelle à l'entrée de lumière à avoir une réponse logarithmique comme la crevette.

Pour la sensibilité de polarisation, les chercheurs ont imité la façon dont la crevette mante intègre la détection de lumière polarisée dans ses photorécepteurs en déposant des nanomatériaux directement sur la surface de la puce d'imagerie qui contenait les photodiodes polarisées en direct. "Ces nanomatériaux agissent essentiellement comme des filtres de polarisation au niveau du pixel pour détecter la polarisation de la même manière que la crevette mante voit la polarisation, " dit Gruev.

Bien que les procédés traditionnels de fabrication de capteurs d'imagerie puissent être utilisés pour fabriquer les capteurs, ils ne sont pas optimisés pour réaliser des photodiodes fonctionnant en direct. Pour compenser, les chercheurs ont développé des étapes de traitement supplémentaires pour nettoyer les images et améliorer le rapport signal sur bruit.

Prendre la caméra sur la route

Après avoir testé la caméra sous différentes intensités lumineuses, couleurs et conditions de polarisation en laboratoire, les chercheurs ont emmené la caméra sur le terrain pour voir à quel point elle fonctionnait dans les ombres ainsi que dans des conditions lumineuses. "Nous avons utilisé la caméra dans différentes conditions d'éclairage de conduite telles que des tunnels ou des conditions de brouillard, " a déclaré Tyler Davis, un membre de l'équipe de recherche. "La caméra a géré ces conditions d'imagerie difficiles sans aucun problème."

Les chercheurs travaillent maintenant avec une entreprise qui fabrique des sacs gonflables pour voir si la plage dynamique élevée et la capacité d'imagerie de polarisation de la nouvelle caméra peuvent être utilisées pour mieux détecter les objets afin d'éviter une collision ou de déployer le sac gonflable quelques millisecondes plus tôt que ce qui est actuellement possible. .

Explorer l'océan

Les chercheurs ont également reçu un financement pour utiliser le nouveau système d'imagerie afin de fabriquer de petites caméras de type GoPro qui pourraient être utilisées pour explorer l'océan. Alors que les systèmes GPS tels que ceux des téléphones portables ne fonctionnent pas sous l'eau, la capacité de détection de polarisation de la nouvelle caméra lui permet d'utiliser la polarisation de la lumière solaire dans l'eau pour calculer les coordonnées de localisation. En outre, la plage dynamique élevée de la caméra peut être utilisée pour enregistrer des images de haute qualité sous l'eau.

"On boucle la boucle en prenant l'appareil photo, qui a été inspiré par la crevette mante, dans différents océans tropicaux pour en savoir plus sur le comportement de cette crevette dans son habitat naturel, " dit Gruev. " Ils vivent dans des eaux peu profondes et s'enfouissent sous les coraux ou dans de petits terriers. Cela crée une situation d'imagerie à plage dynamique élevée difficile car il y a beaucoup de lumière dans l'eau mais des conditions sombres à l'intérieur des trous."