螳螂虾激发了新的光传感器

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Mike Kudenov. mwkudeno@ncsu.edu

马特·希普曼 matt_shipman@ncsu.edu

受螳螂虾眼睛的启发，研究人员开发了一种新型光学传感器，它小到可以安装在智能手机上，但能够进行高光谱和偏振成像。

“许多人工智能(AI)程序可以利用数据丰富的高光谱和偏振图像，但目前捕捉这些图像所需的设备有些笨重，”迈克尔·库登诺夫说，他是北卡罗莱纳州立大学电子与计算机工程副教授，也是一篇关于这项工作的论文的共同通信作者。“我们的工作使更小、更友好的设备成为可能。这将使我们能够更好地将这些人工智能能力应用于从天文学到生物医学等领域。”

在这项研究的背景下，高光谱成像是指可以将可见光波长分解为更窄波段的技术。人眼无法区分这些颜色上的细微变化，但计算机可以——这使得高光谱成像在确定图像中物体的化学成分等任务上很有价值。

偏振测量是指测量光的偏振度，这是可以用来确定图像中物体的表面几何形状的数据。例如，表面是粗糙的还是光滑的?表面相对于光源的角度是多少?

光是出了名的难以描述，因为它既是粒子又是波。如果一波光从a点移动到B点，这两点之间的路径就是光的方向。如果你把光想象成一个粒子，它沿着直线从a点移动到b点，但光也是一个像波一样波动的电磁场。如果你想象这个波在从A点到B点的过程中上下摆动或者左右摆动，那么偏振就是对波沿路径方向的测量。

虽然有能够捕获超光线和偏振图像的更大的设备，但智能手机尺寸的成像技术遇到了重大挑战。

例如，手机摄像机技术的设计导致在最终图像中的不同波长的光的对准中非常轻微误差。结果不是拍摄家庭照片的重要交易，但科学图像分析是有问题的。当相机可以捕获更多颜色时，问题会加剧，如Hyperspectral技术的情况。

新光传感器的创造者受到螳螂虾的眼睛的启发，这在精确地捕获微妙的颜色渐变时非常擅长。因此，研究人员创造了一个有机电子传感器，模仿螳螂虾的眼睛。它被称为气孔吸引力的多光谱和极化敏感（Simpol）传感器。而且，是的，Sphatopod是螳螂虾的花哨的名字。

研究人员开发了一个SIMPOL传感器原型，可以同时注册四个光谱通道和三个偏振通道。相比之下，智能手机上使用的电荷耦合设备只有三个光谱成像传感器，分别检测红色、绿色和蓝色;只有两个极化通道。此外，SIMPOL原型可以在一点上测量4个颜色通道和3个偏振通道，而ccd依赖于分散在几个点上的成像传感器。

虽然只有一个概念证明，研究人员使用建模模拟来确定设计可用于创建能够感测到15个空间注册的光谱通道的检测器。

“Simpol的颜色通道可以辨别光谱特征，比典型的成像传感器窄10倍;换句话说，它的精确是10倍，“Kudenov说。

“我们的工作表明，有可能制造出能够同时捕捉高光谱和偏振图像的小型高效传感器，”该论文的共同通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械和航空航天工程副教授Brendan O’connor说。“我认为这为新型有机电子传感技术打开了大门。”

本文“螳螂虾启动有机光电探测器同时高光谱和极化成像”，出现在期刊中科学推进。本文的第一个作者是NC州的博士后研究员Ali Altaqui。本文的联合对应作者是Brendan O'Connor，是NC状态的机械和航空航天工程副教授。本文由普利克斯森，前博士学位合作。纳邦国家的学生;哈里施克克斯，博士。纳邦国家的学生;Michael Escuti，NC州的电气电脑工程教授;NC州电脑工程前教授已故的罗伯特科尔布斯;北卡罗来纳大学的Jeromy Rech和Wei You You of Chapel Hill; and Jin-Woo Lee and Bumjoon J. Kim of the Korea Advanced Institute of Science and Technology.

这项工作得到了美国国家科学基金会的资助，资助项目分别是:1809753和1639429;韩国国家研究基金会资助项目:NRF-2017M3A7B8065584。

希普曼-

编辑:研究摘要如下。

以螳螂虾为灵感的有机光电探测器，用于同时进行高光谱和偏振成像

作者: Ali Altaqui, Pratik Sen, Harry Schrickx, Michael Escuti, Robert Kolbas, Brendan T. O 'Connor和Michael Kudenov，北卡罗莱纳州立大学;北卡罗莱纳大学教堂山分校的Jeromy Rech和Wei You;Jin-Woo Lee和Bumjoon J. Kim，韩国科学技术高级研究院

发表：3月3日，科学推进

文摘:Hyperspectral和Polariemetric成像组合提供了强大的感应情色，具有广泛的应用从天文学到生物学。现有方法依赖于空间分离检测元件的时间数据采集或快照成像。这种方法造成了严重降低成像性能的基本文物。为了克服这些限制，我们介绍了一种能够沿着单个光轴快速高光谱和偏振感的Sphatopod启动传感器。该设计包括堆叠偏振敏感有机光伏（P-OPV）和聚合物延迟膜。通过利用聚合物延迟器的色散和P-OPV的各向异性响应率来获得多种光谱和偏振通道。我们表明该设计能够在350nm带宽上感测15个光谱通道。还通过同时寄存器4光谱通道和3偏振通道进行实验证明检测器。我们的传感器展示了无数的有机半导体提供的无数自由度，无论是无机的。这一概念预示着同步光谱和偏振成像的基本新的路线。