САМАРСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ИМ. КОРОЛЁВА
один из мировых лидеров в области фотоники
(01)
Самарский Университет
Школа компьютерной оптики и обработки изображений
Самарский национальный исследовательский университет
им. С.П. Королёва – один из мировых лидеров в области фотоники.

Более 40 лет назад здесь была создана и успешно работает школа компьютерной оптики и обработки изображений под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера.
ИННОВАЦИОННАЯ ДИФРАКЦИОННАЯ ОПТИКА


Учеными университета разработана инновационная дифракционная оптика, которая нашла свое применение в самых различных сферах —
космосе, медицине, сельском хозяйстве.
Исследования в области дифракционной оптики
и нанофотоники ведутся в тесном сотрудничестве
с Институтом систем обработки изображений (ИСОИ) РАН, интегрированным в научно-образовательный центр.
Фотоника - наука, занимающаяся взаимодействием оптических сигналов с различными структурами и устройствами.
Это примерно как электроника, только вместо электронов задействованы кванты света - фотоны. Нанофотоника имеет дело с наноструктурами, размеры которых существенно меньше длины волны. Основным направлением исследований самарских ученых является дифракционная нанофотоника, изучающая дифракцию света на синтезированных наноструктурах и занимающаяся созданием устройств на этой основе.


Одним из первых прорывных проектов по направлению "компьютерная оптика" стала разработка фокусаторов лазерного излучения, выполненная в рамках подготовки управляемого термоядерного синтеза. Ученым нужно было придумать, как управлять формой области фокусировки лазерного излучения, воздействующего на плазму.

Работы Виктора Сойфера и его коллег были посвящены расчету

и исследованию первых фокусаторов и созданию технологии

формирования дифракционного микрорельефа.

(02)
Самарский Университет
МИНИАтюрная плоская дифракционная линза


ЛИНЗА С НОГОТОК

Одним из результатов работы школы дифракционной оптики и нанофотоники Самарского университета им. Королёва стало создание миниатюрного объектива на основе дифракционной линзы. Такой объектив весит около десятка граммов и может заменить громоздкую систему линз и зеркал современных фотоаппаратов и телеобъективов.
Всем известно, как выглядит обычная классическая линза - прозрачное тело, ограниченное двумя криволинейными поверхностями. Чем больше сила линзы, тем, соответственно, больше ее размер и вес. А как сделать мощную линзу,
которая будет при этом маленькой, плоской и легкой?
Нужно воспользоваться явлением дифракции.
ДИФРАКЦИЯ
Дифракция - это огибание светом различных препятствий, то есть,
отклонение от законов прямолинейного распространения лучей.
Впервые явление дифракции было описано в 1673 году шотландским математиком и астрономом Джеймсом Грегори. Он наблюдал разложение белого света в спектр на пере птицы -
дифракционной решетке естественного происхождения.
В 1818 году французский ученый
Огюстен-Жан Френель разработал
теорию дифракции света и предложил идею плоской дифракционной линзы, состоящей из концентрических колец, каждое из которых является участком конической поверхности.

Линзы Френеля нашли свое первое массовое применение в морских маяках, правда, размеры тех линз порой измерялись в метрах, а вес - в сотнях килограммов. Зато свет маяка теперь можно было увидеть с гораздо большего расстояния. Линзу Френеля назвали "изобретением, которое спасло миллион кораблей".


При производстве гармонической дифракционной линзы
по технологии, разработанной в Самарском университете,
на поверхность кварцевого стекла наносится резист - фоточувствительное вещество толщиной 10 микрометров (для сравнения, толщина человеческого волоса 40-90 микрометров).
На резисте с помощью лазерного луча создается 256-уровневый микрорельеф. С его помощью происходит "приближение" объекта, а компенсацию искажений обеспечивает компьютерная обработка получаемых изображений на основе нейронных сетей глубокого обучения.
Первая статья ученых Самарского университета, подтверждавшая возможность использования дифракционной оптики в изобра-жающих системах, была опубликована в мае 2015 года по итогам крупнейшей мировой конференции по обработке изображений — IEEE Computer Vision and Pattern Recognition. В ноябре 2015 года вышла в свет совместная работа университета Торонто
и университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, посвященная подобной разработке, со ссылкой на работу Самарского университета.

Ранее никто в мире не использовал дифракционную оптику для получения цветных изображений высокого разрешения.

(03)
Самарский Университет
СВЕРХЛЕГКАЯ ОПТИКА НА КОСМИЧЕСКОЙ ОРБИТЕ



На основе гармонической дифракционной линзы в Самарском университете им. Королёва была создана первая в мире сверхлегкая оптика для наноспутников. Разработка оптической системы для дистанционного зондирования Земли велась учеными университета совместно с компанией ООО "Локус" в рамках гранта Фонда содействия инновациям и при поддержке правительства и министерства экономического развития и инвестиций Самарской области.
В марте 2021 года сверхлегкие оптические системы дистанционного зондирования Земли отправились в космос для проведения летных испытаний на борту российских наноспутников Cube SX-HSE
и Cube SX Sirius HSE. Ранее оптика на основе дифракционных линз в космосе
не использовалась.

По словам разработчиков, кроме малого веса и размера, оптика на дифракционной линзе выгодно отличается от классической оптики с точки зрения цены: так, например, стандартный зарубежный объектив для наноспутника Gecko Imager стоит около 23 тысяч евро, самарская оптическая система на порядок дешевле.

НАНОСПУТНИКИ
Миниатюрные оптические системы наноспутников по своей разрешающей способности, безусловно, уступают специализированной оптике, устанавливаемой на больших аппаратах дистанционного зондирования Земли весом от 500 кг до нескольких тонн. Однако на основе низкобюджетных наноспутников с компактной оптикой можно создавать масштабные орбитальные группировки из сотен подобных космических аппаратов, что позволит вести мониторинг Земли в режиме практически реального времени, оперативно получая изображение необходимого участка земной поверхности и не дожидаясь, когда тот или иной большой спутник окажется над нужным местом.
Получаемая от таких группировок информация будет важна
для оперативного отслеживания, например, ситуации
с распространением природных пожаров, паводков,
для наблюдения за сельскохозяйственными посевами
и в других целях.
(04)
Самарский Университет
умное земледелие, экомониторинг и лаборатория в смартфоне
Исследования в области дифракционных оптических элементов позволяют ученым Самарского университета им. Королёва создавать компактные гиперспектральные устройства. 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.

Учеными разработан сверхкомпактный гиперспектрометр в виде легкой оптической насадки диаметром 25 мм и длиной
30-40 мм, который можно установить на видео- или фотокамеру, на смартфон или планшет для быстрого и самостоятельного определения качества воды, почвы, продуктов питания и многого другого.
Другая, более габаритная версия компактного гиперспектрометра использована при создании системы управления для умной дождевальной машины.

Благодаря этой системе мобильный агромелиоративный комплекс способен во время движения по полю самостоятельно анализировать состояние почвы, оценивая степень ее влажности
и наличия необходимых минеральных удобрений.

В зависимости от получаемых данных дождевальная машина
сама регулирует интенсивность полива и внесения удобрений. Согласно расчетам, применение подобного адресного полива
и внесения удобрений повышает урожайность в среднем
на 25-30% в зависимости от сельскохозяйственной культуры.




Ученые Самарского университета им. Королёва и ИСОИ РАН создали первый отечественный гиперспектрометр для наноспутников формата CubeSat (кубсат). Компактный прибор установлен на борту наноспутника SXC3-219 ИСОИ, выведенного на орбиту в августе 2022 года.

Гиперспектрометр для наноспутников это полноценный исследовательский прибор, позволяющий проводить дистанционное

зондирование Земли, то есть, осуществлять экологический мониторинг, следить за состоянием лесов и сельскохозяйственных посевов, отслеживать возникновение лесных пожаров и выполнять другие задачи.

(05)
Самарский Университет
ОТ умного полигона - к умному дому и умному городу
Для крупнейшего предприятия российской автопромышленности - АВТОВАЗа - ученые Самарского университета им. Королёва и ИСОИ РАН разработали систему умного автополигона - автоматизированную систему контроля и управления испытаниями автомобилей.

Подобных систем в России ранее не было.
Умный полигон поможет спланировать весь процесс испытаний и оптимизировать, то есть, упорядочить, подобно диспетчеру, распределение автомобилей по испытательным участкам и трассам, что увеличит число машин, одновременно испытываемых на полигоне.


Благодаря электронному контролю, свободному от влияния человеческого фактора, уменьшается число ошибок и недочетов во время прохождения назначенного маршрута, что в результате позволяет сократить общее время испытаний автомобиля и повысить безопасность их проведения.

В перспективе весь полигон планируется оснастить системой машинного зрения с видеоаналитикой, работающей в режиме, близком к реальному времени.
УМНЫЙ ДОМ И УМНЫЙ ГОРОД
От умного полигона к умному дому и умному городу - в Самарском университете им. Королёва в 2021 году появилась научно-исследовательская лаборатория "Фотоника для умного дома и умного города", созданная
в рамках национального проекта "Наука и университеты" и в соответствии с программой деятельности научно-образовательного центра мирового уровня "Инженерия будущего".
В лаборатории ведется разработка новых высокоточных фильтров и интеллектуальных технологий обработки спектральных данных. Эти фильтры и технологии станут основой для компактных гиперспектральных сенсоров, входящих в состав мобильных интеллектуальных систем умного города и умного дома. Они помогут мониторить параметры окружающей среды, например, сигнализировать о наличии вредных веществ в атмосфере
и прогнозировать их дальнейшее распространение с учетом розы ветров, анализировать состояние зеленых насаждений в городе - достаточно ли им влаги и удобрений, следить за чистотой городских водоемов и пляжей.
(06)
Самарский Университет
По прогнозам экспертов, фотоника и устройства на ее основе будут продолжать повсеместно развиваться
и распространяться.
Умные дома с оптическими датчиками, умные беспилотные автомобили и умные города, покрытые комплексами беспроводных оптических сетей и системами машинного зрения, будут собирать в будущем множество различных данных и с помощью искусственного интеллекта принимать самостоятельные решения, делая различные аспекты жизни людей проще и удобнее.

Если XIX век можно назвать веком паровых машин, а XX век - веком электроники,

то XXI век по праву можно назвать веком фотоники.