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斯坦福大学的工程师们将螳螂虾的眼睛作为光学传感器的灵感来源

2021年3月5日通过杰克赫兹

偏振成像可能是机器视觉的福音。现在,斯坦福大学的研究人员已经开发出一种新型的光传感器,其灵感来自一个不太可能的来源。

工程师们一直在设计新技术时,向大自然寻求灵感。是莱特兄弟研究鸟类来发展飞行还是现代工程师从章鱼吸吮器中获得灵感,设计可穿戴织物传感器在美国,进化提供了对电子、光学和机械设计的见解。

尽管仿生学的历史很长,但研究人员似乎仍然可以从大自然中学到很多东西。这一趋势后,斯坦福大学的工程师们最近发表了一篇论文,其中描述了一种新型的光学传感器-这次的灵感来自一个意想不到的来源:螳螂虾。

螳螂虾能够看到可见光、紫外线和偏振光。

螳螂虾能够看到可见,紫外线和偏振光。

偏振成像和机器视觉

光一般由三个关键特征来描述:强度、波长和偏振。机器视觉等应用程序可以检测到这三种情况,为软件算法提供尽可能多、尽可能详细的信息。

偏振尤其可以提供传统成像不能,允许更敏感的成像与基于非极化的方法相反的有价值的信息。

通过交叉偏振器的光极化

光通过交叉偏振器的偏振。图片由前苏联

虽然硅基技术已被成功地用于探测强度和波长,但事实证明硅不能探测光的偏振。相反,设计者必须在图像传感器前使用偏振滤光片。传统的偏振成像技术有时间分割技术、振幅分割技术和焦平面分割技术。

传统的偏振测定技术

时间分割技术的工作原理是旋转图像传感器上的偏振滤光片,该滤光片按顺序及时捕捉数据。振幅的划分由一个棱镜组成,它将光线分成不同的路径,每一个路径都有自己的传感器。最后,通过在焦平面上放置微偏光镜来划分焦平面,以建立不同的偏振态。

极化滤波技术的比较

极化滤波技术的比较。图片由光子学媒体

然而,这三种技术都是昂贵和耗时的,这可能会阻碍需要快速、低成本和高度健壮解决方案的机器视觉应用。

灵感来自甲壳类动物

斯坦福大学的研究人员了解到在机器视觉应用中需要更好的偏振成像技术,于是向《自然》杂志寻求解决方案。事实证明,螳螂虾可以看到高光谱和偏振光这是一项用现代技术很难实现的壮举。

在他们发表在《科学》杂志上的论文中,研究人员描述道一种新的传感器,模仿螳螂虾的眼睛,以实现四个光谱通道和三个偏振通道的同时登记。根据研究人员,设计本身由堆叠的“偏振敏感有机光伏(P-OPVS)和聚合物延迟器组成。”

传感器的结构

传感器的结构,折叠延迟元件,光谱延迟。图片由Altaqui et al。

P-OPVs对光的响应随光的偏振变化而变化,而延迟器则根据光的偏振状态对光进行离散。利用这种结构,传感器可以检测到两种类型的光在一个足够小的设备,以适合智能手机。

提高机器视觉

虽然只是一个概念证明,但传感器可能具有重要意义。在足够小以适应智能手机的形状因子中检测光极化的能力可以从根本上改变当前机器视觉应用的局限性。


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工程师们不断地依靠自然来解决硬件层面的障碍。以下是一些最近的发现。