В Самарском университете разработан компактный гиперспектрометр для смартфона

Ученые Самарского университета разработали сверхкомпактный гиперспектрометр, который можно установить практически на любую видео- или фотокамеру, а также на смартфоны и планшетные компьютеры. Эта легкая оптическая насадка диаметром всего 25 мм может широко использоваться для определения качества воды, почвы, продуктов питания и многого другого.

 

По данным всемирной организации здравоохранения, причиной более 200 заболеваний являются небезопасные продукты питания, содержащие болезнетворные бактерии и вредные химические вещества. Еще один фактор риска – водные ресурсы, которые могут быть отравлены химикатами в том числе из-за загрязнения почвы. Ориентироваться в окружающей среде поможет сверхкомпактный гиперспектрометр – разработка Самарского университета. С помощью этого устройства любой владелец смартфона или другого гаджета сможет определить насколько чист тот или иной продукт. 

Над созданием компактных, легких и при этом надежных изображающих спектрометров в вузе работают на протяжении нескольких лет. Разработки ведутся на базе кафедры технической кибернетики и Института систем обработки изображений (ИСОИ) РАН, научным руководителем которого является президент Самарского университета академик РАН Виктор Сойфер.

 

“Изображающие спектрометры разделяют пучок света не на три цветовые составляющие, как, например, фотокамера, а на множество – на 10, на 30, на 100. В зависимости от их количества мы по–разному называем эти приборы, – рассказывает о принципе работы таких устройств заведующий научно-исследовательской лабораторией автоматизированных систем научных исследований (НИЛ–35), профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета Роман Скиданов. – Если спектральных каналов от 10 до 30 – это мультиспектрометр, а если, скажем, 100 и более – гиперспектрометр».

 

Новая разработка ученых вуза – это миниатюрная версия компактного гиперспектрометра.  Ученые занимаются созданием конструкции оптической насадки диаметром 25 мм и длиной 30–40 мм. Как отметил Роман Скиданов, такую насадку можно будет закреплять на смартфонах, планшетных компьютерах. Она позволит этим гаджетам выполнять функции изображающих гиперспектрометров, которые могут широко использоваться в быту – например, для определения качества продуктов питания и готовых блюд, а также оценивать состояние воды и почвы.

 

“Если сверхкомпактный гиперспектрометр установить на смартфон, у каждого появится возможность ориентироваться в окружающей среде. Это очень важно, ведь, к примеру, доступ к безопасным продуктам питания важнейший фактор для поддержания жизни. А экологическая среда, понимание того, заражены ли вода и почва вокруг – залог здоровья”, – отметил Виктор Сойфер.  

 

Теоретические основы для проектирования такой оптической системы представлены в статье «Гармоническая линза с кольцевой апертурой», вышедшей в журнале «Компьютерная оптика». Авторы статьи – Роман Скиданов, аспирант Самарского университета Юрий Стрелков и ведущий программист ИСОИ РАН Сергей Волотовский предлагают использовать для создания компактного прибора конструкцию планарного изображающего объектива на основе плоской кольцевой отражающей гармонической линзы.

 

Разработчики доказали, что длинна объектива, построенного по предложенной ими схеме, может быть на порядок меньше, чем его фокусное расстояние – от 0,05F до 0,1F. А компьютерное моделирование показывает, что объектив диаметром 25 мм с фокусным расстоянием 50 мм может иметь высоту всего в несколько миллиметров.

 

При этом стоимость главного оптического элемента гиперспектрометра– дифракционной решетки, по словам Романа Скиданова, не превысит нескольких сот рублей, поскольку Самарский университет располагает хорошо отработанными оригинальными технологиями изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ).

 

В 2016 году ученые Китая запатентовали подобную оптическую насадку на смартфон. Однако, по словам Романа Скиданова, в ней использована оптическая схема, которая нуждается в сложной и высокоточной юстировке, что значительно ограничивает возможности прибора, а также делает его более дорогим и сложным в производстве.

 

Учеными Самарского университета уже воплощена «в металле» более простая гиперспектрометрическая насадка. Ее масса не превышает 300 граммов. После установки на фото- или видеоустройство она также позволит получать гиперспектр для каждого пикселя изображения. Предназначено устройство для решения задач в промышленности и сельском хозяйстве, где особой компактности не нужно: она поможет дистанционно определять влажность почвы, содержание в ней удобрений. Также такую гиперспектрометрическую насадку можно монтировать на аппаратуру беспилотных летательных аппаратов для выполнения различных задач дистанционного зондирования Земли.

 

Для справки

Самарский национальный исследовательский университет имени С.П. Королева – один из мировых лидеров в разработке компактных оптических систем на основе дифракционных оптических элементов (ДОЭ). В ноябре 2017 года на крупнейшей технологической конференции Европы WebSummit 2017 самарцы представили первый в мире сверхлегкий дифракционный объектив. В нем один оптический элемент весом всего 5 гр заменил сложную и громоздкую систему линз и зеркал, аналогичную той, что используется в телеобъективах с фокусным расстоянием 300 мм и весом от 500 гр.
Фото: Анастасия Короткова (фотоклуб "Иллюминатор")