螳螂虾设计缩小高光谱偏振成像

2021年3月4日，美国.C罗利格——蟑螂虾的超敏眼睛是新型光学传感器背后的灵感来源，这种传感器体积足够小，可以安装在智能手机上，但能够进行高光谱和极光成像。传感器的原型，称为脚踏启发的多光谱和极化敏感（SIMPOL）传感器，能够同时注册四个光谱通道和三个极化通道。
相比之下，CCD 传感器可能只有三个光谱成像传感器，可检测红色、绿色和蓝色，并且只有两个极化
通道。

此外，SIMPOL 原型能够一度测量四个彩色通道，而 CCD 传感器则依赖于分布在多个点的成像传感器。

包含不同颜色物体的场景以及包含不同极化状态的字母 NCSU 的光谱成像。阿里·阿尔塔基的礼貌。

北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程副教授迈克尔·库德诺夫（Michael Kudenov）在描述这项工作的论文中说，许多人工智能程序可以利用数据丰富的高光谱和极光图像。然而，目前拍摄这些图像所需的设备有些笨重，他补充说，"我们在这里的工作使更小、更人性化的设备成为可能。这将使我们能够更好地发挥从天文学到生物医学等领域的人工智能能力。

传感器的设计从蟑螂虾眼的结构和功能特征中提取，从而能够捕捉到微妙的颜色
层次。它的复合眼包含光谱选择性元素，称为色素视网膜细胞，和极化敏感元素，它们在韵亡中的分层微维利——节肢动物复合眼角膜下的结构。这些元素沿着一个称为"ommatidium"的光轴垂直堆叠。当光在堆栈中传播得更深时，虾可以增加它能够抽象的光谱和极化信息的体积。
   北卡罗来纳州立大学博士后研究员阿里·阿尔塔基（Ali Altaqui）对光子媒体说："类似地，我们的有机传感器包括光谱选择性元素（折叠阻滞剂）和两极分化敏感元件（有机光伏），它们沿着单个光轴垂直堆叠。光谱和极化信息的检测方式与蟑螂虾眼相似，能够同时进行光谱和极化检测。
   rhabdom 包含分层的微维利，其方向为四个独特的方向，由 45°偏移，穿过蟑螂虾
的眼睛。该功能使他们能够感知偏振光。
阿尔塔基说："相比之下，有机光伏电池由结合的分子链组成，沿着特定的方向对齐。"此功能使我们的传感器对极化敏感。
   有了这些信息，传感器检测到独特的化学和几何特征。检测几何特征的能力为 3D 成像提供了可能性，这已被证明可以使用极化成像与与光极化程度相关的算法相结合。
   虽然只是概念的证明，但研究人员使用建模模拟来确定该设计可用于创建能够感应多达15个空间注册光谱通道的探测器。据库德诺夫说，SIMPOL的彩色通道可以辨别出比一般成像传感器窄10×光谱特征。
这项研究的合著者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授布伦丹·奥康纳        （Brendan O'Connor）说："我们的工作表明，能够制造出小型、高效的传感器，同时捕获高光谱和极光图像。"我认为，这为新型有机电子传感技术打开了大门。

  这项研究发表在《科学进展》