Science Advance| 仿生设计：基于螳螂虾复眼的小型化高光谱偏振光传感器

近日，一种基于螳螂虾眼睛的新型光学传感器仿生设计发表于Science Advance（www.doi.org/10.1126/sciadv.abe3196）。

该光学传感器尺寸很小，可以安装在智能手机上，并且能够实现高光谱和偏振成像。该传感器的原型叫做气孔足类启发式多光谱和偏振敏感（SIMPOL）传感器，它能够同时记录四个光谱通道和三个偏振通道。相比之下，传统的CCD传感器只有三个检测红色，绿色和蓝色的光谱成像传感器，并且只有两个偏振通道。此外，SIMPOL能够在一个点上测量四个颜色通道，而CCD传感器则依赖于分布在多个点上的成像传感器。

使用SIMPOL的成像结果，包括不同颜色的对象以及不同偏振态的字母“NCSU”。

来自北卡罗莱纳州立大学的作者Michael Kudenov表示，许多AI程序都可以利用数据丰富的高光谱和极化图像。但是，当前捕获这些图像所需的设备有些笨重。这里仿生设计的传感器更小巧，从而可以应用到一些更便携和人性化的设备。小尺寸将有利于在天文学以及生物医学中的应用。

该传感器的设计源于螳螂虾的眼结构和功能特征，可捕捉细微的颜色渐变。螳螂虾的复眼包含光谱选择性元素，称为色素性视网膜细胞，以及偏振敏感元素，它们在横纹肌中呈层状微绒毛（一种节肢动物的复眼角膜下方的结构）。这些细胞沿单个光轴垂直堆叠，随着光更深地传播，复眼可以增加它可以提取的光谱和极化信息的数量。

类似地，这里的传感器包括沿单个光轴垂直堆叠的光谱选择元件（折叠式延迟器）和偏振敏感元件（有机光伏电池）。这里光谱和偏振信息的检测方式与螳螂虾的眼睛相似，即可同时进行光谱和极化检测。

横纹横断面的螳螂虾眼中有四个方向不同的层状微绒毛，它们相互错开了45°。该功能使复眼能够感知偏振光。对应地，有机光伏电池包含沿特定方向排列的共轭分子链，此排列方式保证了传感器的偏振敏感特性。

利用所有这些信息，传感器可以检测到明显的化学和几何特征。其检测几何特征的能力开辟了3D成像的可能性。研究人员已证明结合使用偏振成像和与光的偏振度有关的算法可以实现3D成像。

另外，研究人员通过建模仿真的方式，从概念上来确定该设计可用于创建能够感应多达15个空间配准的光谱通道的探测器。SIMPOL的色彩通道可以辨别比典型成像传感器窄10倍的光谱特征。该工作表明人们制造出可以同时捕获高光谱和偏振图像的小型高效传感器，这为新型有机电子传感技术打开了大门。