Основой приборов служит уникальная оптическая линза - результат 30-летней работы школы информационной оптики и фотоники под руководством академика РАН, президента университета Виктора Сойфера. Она построена на принципах дифракции и весит всего пять граммов, при этом заменяя собой тяжеловесную систему линз и зеркал, аналогичную той, что используется в фотоаппаратах и телеобъективах с фокусным расстоянием 300 мм и весом от полукилограмма.

Обычным теле- и фотообъективам нужно 12 и более оптических элементов, чтобы компенсировать искажения и выдать четкое изображение, к которому привык человеческий глаз. Все их заменила одна дифракционная наноструктура.

“Технология производства дифракционных линз в чем-то сопоставима с производством компакт-дисков, - пояснил директор Института искусственного интеллекта университета Артем Никоноров. - На поверхность кварцевого стекла наносится фоточувствительное вещество - резист, его толщина составляет семь микрон. С помощью лазерного луча на резисте выводится 256-уровневый рельеф. С его помощью происходит “приближение” фотографируемого объекта, а компенсацию искажений обеспечивает последующая цифровая обработка изображений на основе сверточных нейронных сетей”.

Произвести такую линзу можно всего за полчаса в лабораториях. При необходимости можно выпускать тысячи подобных оптических элементов в месяц.

Первый в мире сверхлегкий дифракционный объектив, в основу которого и легла чудо-линза, ученые университета представили на технологической конференции WebSummit в Лиссабоне в 2017 году. А уже весной 2021 года в космос отправились сверхлегкие оптические системы, установленные на спутниках наноразмера “Cube SX-HSE” и “Cube SX Sirius HSE”. Назначение этой оптики - дистанционное зондирование Земли. После приема с орбиты снимки, сделанные такой оптикой, доставляются для дальнейшей обработки нейросетями в Самарский университет им. Королева.

Не менее важна здесь и экономика процесса: помимо малого веса и размера, оптику на дифракционной линзе выгодно отличает цена. К примеру, зарубежный объектив для наноспутника Gecko Imager стоит около 23 тысячи евро, самарская же оптическая система на порядок дешевле.

Конечно, миниатюрные оптические системы наноспутников по своей разрешающей способности уступают громоздкой оптике, устанавливаемой на больших космических аппаратах дистанционного зондирования Земли и весящих от 500 кг до нескольких тонн. Разрешение минисистем составляет лишь около 100 метров на пиксель. Однако именно на основе низкобюджетных наноспутников с компактной оптикой можно создавать большие орбитальные группировки из сотен космических аппаратов. Это позволит мониторить Землю в режиме реального времени, оперативно получая изображение необходимого участка поверхности. Такая скоростная информация важна, например, для отслеживания распространения природных пожаров, паводков, для наблюдения за сельскохозяйственными посевами.

Еще один прибор, сконструированный также на основе дифракционный линзы, был выведен в космос в августе 2022 года в рамках проекта "Space-Pi". Речь идет о первом гиперспектрометре в России для наноспутников формата CubeSat, созданном учеными Самарского университета им. Королева и Института систем обработки изображений РАН.

Исследовательский прибор позволяет проводить гиперспектральное дистанционное зондирование Земли. Он снимает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Количество его спектральных каналов составляет от 150 до 300, спектральное разрешение - от 2 до 4 нм. Масса гиперспектрометра также невелика - всего 1,6 кг, размеры - 13 х 9,4 х 9,4 см, то есть он занимает менее половины внутреннего пространства наноспутника.

Как отмечают ученые, задача уместить полноценный космический гиперспектрометр в наноспутнике формата 3U размерами 10х10х30 см оказалась достаточно сложной, но интересной.

Первые испытания в космосе показали, что гиперспектрометр успешно решил поставленные задачи в сфере умного земледелия. “В силу компактности наноспутника передача данных на Землю ведется в УКВ-диапазоне, это снижает объем и детализацию получаемых данных в отличие от больших спутников. Но этих данных достаточно для определения спектральных вегетационных индексов растений”, - отметил профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета Роман Скиданов.

В зависимости от уровня влаги, минералов, температуры окружающей среды и других факторов растения по-разному поглощают и отражают электромагнитные волны в разных диапазонах, в разных спектрах. Сопоставляя эти данные с помощью мульти- или гиперспектральной съемки, можно дистанционно, оперативно и более точно оценивать состояние посевов той или иной культуры, не отправляя выборочно на лабораторный анализ отдельные растения или образцы почвы. Всего на основе спектральных данных высчитывается более 150 вегетационных индексов.

К примеру, снимки, полученные в ходе эксперимента с гиперспектрометра, позволили, определить участки озимых посевов с наибольшей зеленой массой, с большим количеством хлорофилла, а также проверить сельхозугодья на проблемные посевы. Полученные данные позволили оценить уровень запасов влаги в растениях и помогли рассчитать вегетационный индекс, позволяющий делать предварительный прогноз урожайности.

Еще один вид гиперспектрометра, созданный в университете, но работающий уже на Земле, - полевой. Ученые Самарского университета и Института систем обработки изображений РАН по заказу РосНИИПМ РАН создали “умную” систему адресного полива растений. Она включает в себя компактный изображающий гиперспектрометр весом всего 1 кг, с датчиками, бортовой компьютер со специальным программным обеспечением и контроллер для переключения форсунок на дождевальной машине.

Установленный на такую машину гиперспектрометр по изображению участка поля определяет, каким должен быть расход воды. Гиперспектральные датчики определяют влажность участков или содержание в почве определенных химических веществ и подают сигналы бортовому компьютеру, который через контроллеры управляет форсунками.

Стоимость комплекта системы управления составляет около 20 тысяч рублей на один агромелиоративный комплекс. При этом, согласно данным РосНИИПМ, применение адресного полива и внесения удобрений может повысить урожайность в среднем на 25-30%.

Но это не все! Ученые разработали сверхкомпактный гиперспектрометр, который в перспективе можно установить на любую видео- или фотокамеру, а также на смартфоны и планшетные компьютеры. Он представляет собой оптическую насадку диаметром 25 мм и длиной 30-40 мм и может использоваться для определения качества воды, почвы, продуктов питания и многого другого.

При этом стоимость главного оптического элемента гиперспектрометра - дифракционной решетки - не превысит тысячи рублей, поскольку Самарский университет располагает оригинальными технологиями их изготовления.