受螳螂蝦眼睛的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一種新型的光學(xué)傳感器，該傳感器小到可以裝在智能手機(jī)上，但能夠進(jìn)行高光譜和偏振成像。論文“螳螂蝦啟發(fā)式有機(jī)光電探測器同時用于高光譜和偏振成像”發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上。

“許多人工智能（AI）程序可以利用數(shù)據(jù)豐富的高光譜和極化圖像，但是捕獲這些圖像所需的設(shè)備目前有點(diǎn)笨重，”與該論文相關(guān)的論文的共同作者邁克爾·庫德諾夫（Michael Kudenov）說。“我們在這里的工作使更小巧，更用戶友好的設(shè)備成為可能。這將使我們能夠更好地將這些AI功能應(yīng)用于從天文學(xué)到生物醫(yī)學(xué)的各個領(lǐng)域。”

在這項(xiàng)研究中的上下文中，高光譜成像是指能夠分解的可見波長的技術(shù)光成更窄的頻帶。人眼無法區(qū)分顏色的這些細(xì)微變化，但是計算機(jī)可以使高光譜成像對于確定圖像中對象的化學(xué)成分等任務(wù)非常有價值。

偏振法是指光中偏振的測量，該數(shù)據(jù)可用于確定圖像中對象的表面幾何形狀。例如，表面是否粗糙或光滑？表面相對于光源的角度是多少？

光是很難描述的，因?yàn)樗仁橇Ｗ佑质遣āＨ绻皇鈴狞c(diǎn)A移動到點(diǎn)B，則這兩點(diǎn)之間的路徑就是光的方向。如果您將光視為粒子，則它沿直線從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)。但是光還是電磁場，其波動像波一樣。如果您將波想象成從點(diǎn)A到點(diǎn)B傳播時上下擺動或左右擺動，則極化度是該波沿路徑的方向的量度。

盡管有更大的設(shè)備能夠捕獲高光譜和偏振圖像，但智能手機(jī)大小的成像技術(shù)已面臨重大挑戰(zhàn)。

受螳螂蝦眼睛的啟發(fā)，研究人員開發(fā)了一種光學(xué)傳感器，該傳感器足夠小，可以安裝在智能手機(jī)上，但能夠進(jìn)行高光譜和偏振成像。這張照片顯示了傳感器的實(shí)驗(yàn)原型。串聯(lián)結(jié)構(gòu)由6個偏振敏感的有機(jī)光伏電池和4個沿著同一光軸串聯(lián)的聚合物延遲膜組成。

例如，手機(jī)攝像頭技術(shù)的設(shè)計會導(dǎo)致最終圖像中不同波長的光的對齊出現(xiàn)非常小的誤差。結(jié)果對于拍攝家庭照片來說并不是什么大問題，但對于科學(xué)圖像分析卻是有問題的。當(dāng)相機(jī)可以捕獲更多顏色時（與高光譜技術(shù)一樣），問題就更加惡化了。

新的光傳感器的創(chuàng)造者靈感來自螳螂蝦的眼睛，它們非常擅長準(zhǔn)確捕捉細(xì)微的顏色漸變。因此，研究人員創(chuàng)造了一種模仿螳螂蝦眼的有機(jī)電子傳感器。它被稱為氣孔足啟發(fā)多光譜和極化分析（SIMPOL）傳感器。

研究人員開發(fā)了一種原型SIMPOL傳感器，該傳感器可以同時記錄四個光譜通道和三個極化通道。相比之下，智能手機(jī)中使用的電荷耦合設(shè)備只有三個光譜成像傳感器，分別檢測紅色、綠色和藍(lán)色。此外，SIMPOL原型可以在一個點(diǎn)上測量四個顏色通道和三個偏振通道，而CCD則依賴于分布在多個點(diǎn)上的成像傳感器。

雖然只是概念上的證明，但研究人員使用建模仿真來確定該設(shè)計可用于創(chuàng)建能夠感應(yīng)多達(dá)15個空間配準(zhǔn)的光譜通道的檢測器。

Kudenov說：“ SIMPOL的彩色通道可以辨別比典型的成像傳感器窄10倍的光譜特征；換句話說，它的精確度要高10倍。”

該論文的共同通訊作者，北卡羅來納州立大學(xué)機(jī)械與航空航天工程副教授布倫丹·奧康納說：“我們的工作證明，有可能制造出可以同時捕獲高光譜和偏振圖像的小型高效傳感器。” “我認(rèn)為這為新型有機(jī)電子傳感技術(shù)打開了大門。”
編輯：lyn