受動物界視覺超能力的啟發(fā)，美國賓夕法尼亞州立大學工程學院研究團隊開發(fā)出一種超薄光學元件——超表面。它可連接到傳統(tǒng)相機上，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)進行編碼。團隊同時開發(fā)了一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可在標準筆記本電腦上實時解碼這些多維視覺信息。研究成果發(fā)表在最新一期《科學進展》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。此次研究團隊受此啟發(fā)，通過將超表面集成到傳統(tǒng)相機中，將其改造成緊湊、輕便的高光譜偏振相機。

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

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

團隊利用數(shù)據(jù)增強技術(shù)構(gòu)建了一個機器學習框架。該框架利用180萬張圖像進行了訓練，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，如果實現(xiàn)商業(yè)化，那么消費者就能輕松獲取不同物體的高光譜偏振信息。譬如，人們可帶著該相機去超市，拍照并評估貨架上水果和蔬菜的新鮮度。

這款增強型相機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，幫助診斷癌細胞等。