研究人员开发了一种灵感源自螳螂虾眼睛的新型光学传感器

据麦姆斯咨询报道，美国北卡罗来纳州立大学的研究人员开发了一种灵感源自螳螂虾眼睛的新型光学传感器，它能够进行高光谱和偏振成像，并且尺寸小到足以应用于智能手机。

北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程副教授、共同通讯作者Michael Kudenov说：“很多人工智能（AI）程序可以利用数据丰富的高光谱和偏振图像，不过，目前能够捕捉这些图像的设备都比较笨重。我们的这项研究成果使尺寸更小、更便携的高光谱和偏振成像设备成为可能。这将有助于人工智能技术应用于从天文学到生物医学的各个领域。”这项研究成果已经发表于Science Advances杂志。

高光谱和偏振成像

光谱偏振成像（Spectral polarization imaging, SPI）是一种四维测量技术，可以获取场景的空间、光谱和偏振信息。这种最先进的成像方法有可能彻底改变从农业和医学到国防和太空探索的许多领域。

结合高光谱和偏振成像可以提供一种强大的传感能力，在从天文学到生物学的很多领域有着广泛的应用。现有的方法依赖于时间数据采集或空间分离探测器进行快照成像。这些方法会产生基本伪影，从而降低成像性能。为了克服这些局限性，研究人员提出了一种灵感源自螳螂虾眼睛的新型光学传感器，能够在单个像素内进行快照高光谱和偏振传感。该设计包括堆叠偏振敏感有机光伏（P-OPV）和聚合物延迟器。

利用P-OPV的各向异性响应和延迟器的色散特性，实现了多个光谱和偏振通道。研究表明，这种设计可以在350纳米带宽上感知15个光谱通道。研究人员通过实验展示了一种可以同时记录四个光谱通道和三个偏振通道的探测器原型。探测器原型展示了有机半导体所提供的显著自由度，这在无机半导体中是无法实现的，或将打开一条同时进行光谱和偏振成像的有机探测器新路线。

灵感源自螳螂虾的眼睛

这种新型光学传感器从螳螂虾的眼睛中获得灵感，它们的眼睛非常善于精确捕捉色彩的细微层次。有基于此，研究人员开发了一种模拟螳螂虾眼睛的有机电子传感器，被称为口足类动物启发的多光谱和偏振敏感（SIMPOL）传感器。螳螂虾属于口足类动物。

螳螂虾的眼睛及由此启发的有机探测器

研究人员开发了一款SIMPOL传感器原型，可以同时记录四个光谱通道和三个偏振通道。相比之下，智能手机中使用的电荷耦合器件只有三个光谱成像通道，分别检测红色、绿色和蓝色；以及两个偏振通道。此外，这款SIMPOL原型可以在一个点上测量四个色彩通道和三个偏振通道，而电荷耦合器件需要依赖分布在多个点上的成像传感器。

“SIMPOL的色彩通道可以分辨相比典型图像传感器窄10倍的光谱特征；换句话说，它的精确度提高了10倍！”Kudenov说。

北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授、共同通讯作者Brendan O'Connor说：“我们的研究表明，可以制造出能够同时捕获高光谱和偏振图像的小型、高效传感器。这为新型有机电子传感技术打开了大门。”

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