受動(dòng)物界視覺超能力的啟發(fā)，美國賓夕法尼亞州立大學(xué)工程學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種超薄光學(xué)元件——超表面。它可連接到傳統(tǒng)相機(jī)上，并通過微小的天線狀納米結(jié)構(gòu)，對快照或視頻中圖像的光譜和偏振數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。團(tuán)隊(duì)同時(shí)開發(fā)了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可在標(biāo)準(zhǔn)筆記本電腦上實(shí)時(shí)解碼這些多維視覺信息。研究成果發(fā)表在最新一期《科學(xué)進(jìn)展》上。

蝴蝶能看到人類“看不見的世界”，包括更多的顏色、場振蕩方向、光的偏振。此次研究團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)，通過將超表面集成到傳統(tǒng)相機(jī)中，將其改造成緊湊、輕便的高光譜偏振相機(jī)。

圖片:227406_7079e66b-9e4b-4ad5-8706-572694158741copy.jpg

研究人員展示一款集成了3毫米x3毫米超表面的相機(jī)傳感器。超表面將傳統(tǒng)相機(jī)變成了高光譜偏振相機(jī)。

高光譜和偏振相機(jī)通常體積龐大，生產(chǎn)成本高昂，而且只能捕獲光譜或偏振數(shù)據(jù)，不能同時(shí)捕獲兩者。相比之下，將一個(gè)3毫米×3毫米的超表面放置在攝影相機(jī)的鏡頭和傳感器之間，能同時(shí)拍攝兩種類型的圖像數(shù)據(jù)，并立即將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。

團(tuán)隊(duì)利用數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)框架。該框架利用180萬張圖像進(jìn)行了訓(xùn)練，可解碼原始圖像以顯示光譜和偏振信息。他們通過在不同激光束照射下錄制透明字母的視頻，測試了該超表面和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他們還拍攝了圣甲蟲的圖像，這種甲蟲以反射其他同類可見的圓偏振光而聞名。

研究人員表示，超表面制造成本低廉，如果實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，那么消費(fèi)者就能輕松獲取不同物體的高光譜偏振信息。譬如，人們可帶著該相機(jī)去超市，拍照并評估貨架上水果和蔬菜的新鮮度。

這款增強(qiáng)型相機(jī)為人們打開了一扇通往“看不見的世界”的窗戶。在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用中，高光譜偏振信息可用于區(qū)分體內(nèi)組織和結(jié)構(gòu)特性，幫助診斷癌細(xì)胞等。