蝴蝶具有一种显著的视觉能力，使它们能够看到超出人类可见光谱的更多色彩和光的偏振。这种独特的视觉帮助它们准确导航、采集食物和相互交流。其他生物，如螳螂虾，甚至能够检测更广泛的光线，包括光波的圆偏振。它们利用这种能力创造一种“爱情密码”以寻找和吸引伴侣。
受自然界中这些非凡能力的激励，宾州州立大学工程学院的一组研究人员创造了一种称为超表面的薄光学元件，可以附加到标准相机上，通过微小的天线状结构调整光的性质，从而捕获光谱和偏振信息。同时，团队开发了一种机器学习系统，能够实时解码这些多维视觉数据，使用的是一台典型的笔记本电脑。
该团队今天（9月4日）在《科学进展》期刊上分享了他们的研究成果。
“动物世界表明我们看不见的光的某些方面包含了对各种应用有价值的信息，”论文的首席作者、电气工程副教授倪兴杰说。“我们本质上通过整合我们的超表面，将普通相机转换为紧凑轻便的超光谱偏振相机。”
与传统的超光谱或偏振相机（通常体积庞大且成本高，仅能一次捕获一种类型的数据）不同，这种超表面每个边长仅三毫米且生产成本低，当放置在相机镜头和传感器之间时，可以同时捕获光谱和偏振成像数据。
收集到的图像需要解码，以揭示其光谱和偏振细节。电气工程博士生、研究共同作者刘博峰开发了一个机器学习框架，该框架使用数据增强技术在180万张图像上进行训练，旨在实现这一目的。
“我们以每秒28帧的速度工作，主要受限于相机的速度，我们可以通过神经网络快速恢复光谱和偏振信息，”刘指出。“这种能力允许实时捕获和查看图像数据。”
研究人员通过记录在各种激光照明下透明的“PSU”字母的视频来评估他们的超表面和神经网络。他们还拍摄了著名的圣甲虫图像，这种昆虫以反射圆偏振光而闻名，它的同类能够看到这种光。
倪表示，如果该技术商业化，迅速访问各种物体的超光谱偏振信息可能会提升消费者的体验。
“想象一下，将我们的相机带到杂货店拍摄照片，以评估水果和蔬菜的新鲜度，然后再购买，”倪解释道。“这款先进的相机让我们洞察一个隐藏的世界。”
此外，在生物医学领域，超光谱偏振数据可以在区分体内组织的材料和结构特性方面发挥重要作用，潜在地帮助识别癌细胞。
这项研究拓展了倪对各种超表面的早期探索和创作，包括一种模拟人眼处理能力的超表面，以及设计用于成像远距物体（如月球）的金属透镜。
除了倪和刘之外，其他共同作者包括位于宾州州立大学的电气工程教授、共同通讯作者刘志文，以及博士后研究员安贤珠和研究生张丽丹、周晨、丁宜明、常胜源、段尧、拉赫曼·塔瑞克、夏图南和陈熙，均来自电气工程。
该研究得到了美国国家科学基金会和美国国立卫生研究院国家眼科研究所的支持。
