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Inspirés par le système visuel de la crevette-mante – lequel est le plus complexe de la nature – des chercheurs ont créé un nouveau type de caméra susceptible d’améliorer considérablement la capacité des voitures à repérer les dangers dans des conditions difficiles.

Une caméra inspirée des crevettes-mantes

Cette nouvelle caméra accomplit cet exploit en détectant une propriété de lumière appelée polarisation et présentant une plage dynamique environ 10 000 fois supérieure à celle des caméras commerciales actuelles. La plage dynamique est une mesure des zones les plus lumineuses et les plus sombres qu’une caméra peut capturer simultanément. Avec celles-ci, la caméra peut mieux voir dans des conditions de conduite telles que la transition d’un tunnel sombre en plein soleil ou dans des conditions brumeuses.

Dans Optica, le journal de l’Optical Society consacré aux recherches à impact élevé, les chercheurs décrivent ce nouvel appareil, qui pourrait être fabriqué en série pour seulement 10 dollars. Les chercheurs ont déclaré que cette nouvelle caméra permettrait aux voitures de détecter les dangers, aux autres voitures ainsi que des personnes trois fois plus loin que les caméras couleurs utilisées aujourd’hui sur les voitures.

Détecter un objet grâce à la polarisation

« Dans un récent accident impliquant une voiture autonome, la voiture n’a pas détecté une semi-remorque, car sa couleur et son intensité lumineuse se confondaient avec celles du ciel à l’arrière-plan », a déclaré le chef de l’équipe de recherche Viktor Gruev de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, aux USA. « Notre caméra peut résoudre ce problème car sa grande plage dynamique 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 pour également améliorer l’exploration des océans.

« Nous commençons à atteindre les limites de ce que les capteurs d’imagerie traditionnels peuvent accomplir », a déclaré Missael Garcia, première auteure de cette recherche. « Notre nouvelle caméra bioinspirée montre que la nature dispose de nombreuses solutions intéressantes dont nous pouvons tirer parti pour concevoir des capteurs de nouvelle génération. »

Imiter la vision des crevettes

La crevette-mante, qui regroupe des centaines d’espèces dans le monde, a une réponse logarithmique à l’intensité lumineuse. Cela rend les crevettes sensibles à une gamme d’intensités lumineuses très élevées, leur permettant de percevoir des éléments très sombres et très lumineux au sein d’une même scène.

Pour atteindre une plage dynamique tout aussi élevée pour leur nouvelle caméra, les chercheurs ont peaufiné la manière dont les photodiodes de l’appareil convertissaient la lumière en courant électrique. Au lieu de faire fonctionner les photodiodes en mode polarisation inverse – traditionnellement utilisé pour l’imagerie – les chercheurs ont utilisé le mode de polarisation directe. Cela a changé le courant électrique sortant linéairement proportionnel à l’entrée de la lumière en une réponse logarithmique semblable à celle de la crevette.

Pour la sensibilité à la polarisation, les chercheurs ont imité la façon dont la crevette-mante intègre la détection de la lumière polarisée dans ses photorécepteurs en déposant des nanomatériaux directement sur la surface de la puce d’imagerie contenant les photodiodes à polarisation directe. « Ces nanomatériaux agissent essentiellement comme des filtres de polarisation au niveau des pixels pour détecter la polarisation de la même manière que la crevette-mante voit la polarisation », a déclaré Gruev.

Bien que les procédés de fabrication des capteurs d’imagerie traditionnels puissent être utilisés, ils ne sont pas optimisés pour la fabrication de photodiodes fonctionnant en polarisation directe. Pour compenser, les chercheurs ont développé des étapes de traitement supplémentaires pour améliorer les images et le rapport signal/bruit.

Tester cette caméra sur la route

Après avoir testé cette caméra sous différentes intensités lumineuses, couleurs et conditions de polarisation dans un laboratoire, les chercheurs l’ont emmenée sur le terrain pour voir à quel point elle fonctionnait correctement avec des ombres aussi bien que dans des conditions de forte luminosité.

« Nous avons utilisé la caméra dans différentes conditions d’éclairage, telles que des tunnels ou des conditions brumeuses », a déclaré Tyler Davis, 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 afin de déterminer si les capacités d’imagerie de la plage dynamique élevée et de la polarisation de cette nouvelle caméra peuvent être utilisées pour mieux détecter les objets et ainsi limiter les collisions ou déployer les sacs gonflables quelques millisecondes plus tôt qu’avant un accident se produise.

Explorer les océans

Les chercheurs ont également reçu des fonds pour utiliser ce nouveau système d’imagerie afin de fabriquer de petites caméras de type GoPro pouvant 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 du nouvel appareil lui permet d’utiliser la polarisation de la lumière du soleil 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.

Documenter le comportement de cette crevette

« Nous arrivons au point de départ en prenant la caméra, inspirée de la crevette-mante, dans différents océans tropicaux pour en apprendre davantage sur le comportement de cette crevette dans son habitat naturel », a déclaré Gruev. «Ils vivent dans des eaux peu profondes et s’enterrent sous des coraux ou dans de petits terriers.

Cela crée une situation difficile en matière d’imagerie quant à plage dynamique élevée, car il y a beaucoup de lumière dans l’eau, mais très peu dans des conditions de pénombre à l’intérieur des trous.»

Source : The Optical Society