受动物视觉超能力启发，超表面元件加神经网络创建多维“视野”相机

受动物界视觉超能力的启发，美国宾夕法尼亚州立大学工程学院研究团队开发出一种超薄光学元件——超表面。它可连接到传统相机上，并通过微小的天线状纳米结构，对快照或视频中图像的光谱和偏振数据进行编码。团队同时开发了一个神经网络，可在标准笔记本电脑上实时解码这些多维视觉信息。研究成果发表在最新一期《科学进展》上。

研究人员展示一款集成了3毫米x3毫米超表面的相机传感器。超表面将传统相机变成了高光谱偏振相机。 图片来源：宾夕法尼亚州立大学

蝴蝶能看到人类“看不见的世界”，包括更多的颜色、场振荡方向、光的偏振。此次研究团队受此启发，通过将超表面集成到传统相机中，将其改造成紧凑、轻便的高光谱偏振相机。

高光谱和偏振相机通常体积庞大，生产成本高昂，而且只能捕获光谱或偏振数据，不能同时捕获两者。相比之下，将一个3毫米×3毫米的超表面放置在摄影相机的镜头和传感器之间，能同时拍摄两种类型的图像数据，并立即将数据传输到计算机。

团队利用数据增强技术构建了一个机器学习框架。该框架利用180万张图像进行了训练，可解码原始图像以显示光谱和偏振信息。他们通过在不同激光束照射下录制透明字母的视频，测试了该超表面和神经网络。他们还拍摄了圣甲虫的图像，这种甲虫以反射其他同类可见的圆偏振光而闻名。

研究人员表示，超表面制造成本低廉，如果实现商业化，那么消费者就能轻松获取不同物体的高光谱偏振信息。譬如，人们可带着该相机去超市，拍照并评估货架上水果和蔬菜的新鲜度。

这款增强型相机为人们打开了一扇通往“看不见的世界”的窗户。在生物医学应用中，高光谱偏振信息可用于区分体内组织和结构特性，帮助诊断癌细胞等。