作者：沃倫·米勒，特約作家

科學在哪里尋找改進光學成像技術的靈感？顯然，海鮮拼盤。伊利諾伊州的一個研究小組開發了一種基于螳螂蝦眼睛的相機，該相機能夠檢測光的顏色和偏振。這提供了對人眼看不到的世界的可見性，其影響與改進的水下研究和早期癌癥檢測一樣廣泛。

雖然人眼只包含三種不同類型的顏色感受器，但螳螂蝦的眼睛有 16 種不同的顏色感受器，以及六個偏振通道，使其成為自然界中自然存在的最復雜的眼部設備之一。特別是極化對于感知特別有用。大多數人只知道防眩光太陽鏡的偏振，但動物使用偏振來幫助尋找食物，通過感知天空的偏振來導航，甚至作為隱蔽的通信通道。

相機背后的研究最近在 OSA 期刊Optica上發表為“用于實時原位成像的仿生彩色偏振成像儀” 。伊利諾伊大學電氣和計算機工程教授、該研究的合著者 Victor Gruev 與研究生 Missael Garcia 一起幫助開發了這款新相機。

“大自然以這樣一種方式構建了螳螂蝦的眼睛，即感光元件垂直堆疊在一起，”格魯夫說。“這些器官不僅超越了我們自己的視覺系統的靈敏度，而且與當今最先進、最先進的相機相比，它們還可以使用更少的能量和空間捕獲更多的視覺信息。”?

根據加西亞，同樣適用于螳螂視覺系統的物理定律也適用于硅材料，這種材料用于制造我們的數碼相機。通過在硅中堆疊多個光電二極管，它們可以在不使用特殊濾光片的情況下看到不同的顏色。這是因為傳感器對不同波長的光吸收不同。例如，紅色會更深地滲透到堆棧中，這意味著較低的傳感器只會對紅光做出響應，而上層的傳感器會感應到藍色能量。并且通過以周期性方式布置傳感器，極化變得可檢測。“通過將這項技術與金屬納米線相結合，我們有效地復制了螳螂蝦視覺系統的一部分，使其能夠感知顏色和偏振，”他說。

伊利諾伊州電氣和計算機工程教授 Viktor Gruev（右）和研究生 Missael Garcia。圖片來源： illinois.edu。

光的偏振是光在空間中分布時的振蕩方向。根據兩人的說法，人眼的靈敏度不足以檢測偏振，迄今為止最先進的數碼相機也不是。海底動物使用偏振進行通信和導航，因為它在水下效率更高，而光照水平較低。在水下，通常是在水下很遠的地方，可以減少背景光噪聲，這對于使用水上居民來說更為熟悉。偏振光似乎是水下更好的通信選擇，這與鯨魚使用特定聲音頻率的方式不同，這些聲音頻率可以在水下傳播得比在空氣中更遠。

這項新技術在水下研究領域的影響是多方面的。許多海洋生物在其視覺系統中同時利用顏色和偏振。模仿它們感知的能力將幫助生物學家了解這些生物如何導航、捕獵，甚至使用極化效應進行交流。

但研究人員認為，他們的相機也可以在離家較近的地方使用。較早的研究表明，極化可用于早期檢測癌癥。例如，安裝在結腸鏡上的偏振傳感器能夠檢測到人體結腸中癌細胞的無序性質。“我們可以檢測到癌癥的早期形成這一概念是推動這項研究向前發展的原因，”Gruev 說。“這項技術的成本不到 100 美元，它將在世界各地資源有限的地方實現高質量的醫療保健。”

審核編輯 黃昊宇