超表面元件加神經網絡創建多維“視野”相機

科技日報北京9月10日電（記者張夢然）受動物界視覺超能力的啟發，美國賓夕法尼亞州立大學工程學院研究團隊開發出一種超薄光學元件——超表面。它可連接到傳統相機上，并通過微小的天線狀納米結構，對快照或視頻中圖像的光譜和偏振數據進行編碼。團隊同時開發了一個神經網絡，可在標準筆記本電腦上實時解碼這些多維視覺信息。研究成果發表在最新一期《科學進展》上。

蝴蝶能看到人類“看不見的世界”，包括更多的顏色、場振蕩方向、光的偏振。此次研究團隊受此啟發，通過將超表面集成到傳統相機中，將其改造成緊湊、輕便的高光譜偏振相機。

高光譜和偏振相機通常體積龐大，生產成本高昂，而且只能捕獲光譜或偏振數據，不能同時捕獲兩者。相比之下，將一個3毫米×3毫米的超表面放置在攝影相機的鏡頭和傳感器之間，能同時拍攝兩種類型的圖像數據，并立即將數據傳輸到計算機。

團隊利用數據增強技術構建了一個機器學習框架。該框架利用180萬張圖像進行了訓練，可解碼原始圖像以顯示光譜和偏振信息。他們通過在不同激光束照射下錄制透明字母的視頻，測試了該超表面和神經網絡。他們還拍攝了圣甲蟲的圖像，這種甲蟲以反射其他同類可見的圓偏振光而聞名。

研究人員表示，超表面制造成本低廉，如果實現商業化，那么消費者就能輕松獲取不同物體的高光譜偏振信息。譬如，人們可帶著該相機去超市，拍照并評估貨架上水果和蔬菜的新鮮度。

這款增強型相機為人們打開了一扇通往“看不見的世界”的窗戶。在生物醫學應用中，高光譜偏振信息可用于區分體內組織和結構特性，幫助診斷癌細胞等。