Ученые Самарского университета уменьшили вес оптики для спутникового наблюдения Земли в 100 раз

В международном журнале IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing (IEEE) вышла статья научного коллектива Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева. В ней описаны работы по созданию и использованию сверхлегкой дифракционной оптики для получения изображений высокого разрешения.

В публикации представлены технология изготовления 256-уровневой дифракционной гармонической линзы, а также алгоритмы реконструкции полученных с ее помощью изображений. Этот оптический элемент, созданный научным коллективов кафедры суперкомпьютеров и общей информатики вуза, весит всего 5 г и заменяет сложную и громоздкую систему линз и зеркал, аналогичную той, что используется в телеобъективах с фокусным расстоянием 300 мм и весом от 500 г.
"Для решения задач в сферах, где идет постоянная борьба за уменьшение веса и размеров оптики, подобные массивные системы не подходят. В первую очередь, речь идет о компактных системах дистанционного зондирования Земли, устанавливаемых на малые летательные аппараты: беспилотниках, атмосферных зондах и наноспутниках. Для них сверхлегкие дифракционно-оптические системы весом всего несколько граммов открывают новые возможности", — говорит один из авторов научной статьи, профессор кафедры суперкомпьютеров и общей информатики Артем Никоноров. 

Современным тяжелым фото и телеобъективам большое количество оптических элементов (12 и более) необходимо для компенсации искажений изображения вследствие оптических аберраций. Ученые же при использовании сверхлегкой гармонической линзы предложили компенсировать такие искажения при помощи цифровой обработки. Разработанная ими для этих целей вычислительная реконструкция включает в себя цветовую коррекцию изображения и устранение хроматического размытия с помощью сверточных нейронных сетей (СНС). Как показали результаты испытаний, проведенных разработчиками, качество восстановленных таким образом изображений сравнимо с качеством снимков, полученных с потребительских фотокамер и мобильных телефонов. 

При этом время для реконструкции одного изображения на основе СНС составляет около 1 секунды. 

На основе описанного подхода ученые вуза уже предложили технологию, способную обеспечить разрешение съемки поверхности Земли с наноспутника в 18 м. В то время как представленные на рынке оптические системы обеспечивают разрешение в 40 м. 

Кроме того, использование сверхлегкой гармонической линзы и технология реконструкции изображений, основанная на СНС, уже позволила ученым повысить значение PSNR (пиковое отношение сигнала к шуму) до 26 дБ на реальных изображениях. 

"Еще пять лет назад получение цветного изображения высокого разрешения с помощью дифракционной линзы казалось далекой целью. Однако результаты наших исследований показали перспективность использования легкой дифракционной оптики, — отметил Артем Никоноров. — Тот факт, что нашу работу опубликовал авторитетный журнал IEEE, имеющий квартиль Q1 в таких областях знаний, как "науки о космосе" и "IT-технологии в науках о Земле", говорит о том, что международные эксперты видят большое будущее у данного направления". 

В дальнейшем научный коллектив Самарского университета планирует продолжить работу по преодолению сильных аберраций в изображениях. Для решения этой задачи они планируют усовершенствовать технологию изготовления сверхлегких линз, методы реконструкции изображения и повысить производительность нейросетевой реконструкции. 

Для справки

При изготовлении 256-уровневой дифракционной гармонической линзы на поверхность кварцевого стекла наносится фоточувствительное вещество — резист. Его толщина составляет 7 микрон (для сравнения, толщина человеческого волоса 40-90 микрон). С помощью лазерного луча на резисте выводится 256-уровневый рельеф, который позволяет "приблизить" объект. Процесс производства одной линзы занимает около получаса. Компенсацию искажений обеспечивает цифровая обработка изображений на основе сверточных нейронных сетей.