4 سپتامبر 2024 -توسط ماریا لوکاس، دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا-نمودار مفهومی دوربین HSP پیشنهادی. اعتبار: پیشرفت علم (2024). DOI:
پروانه ها می توانند بیشتر از انسان جهان را ببینند، از جمله رنگ های بیشتر و جهت نوسان میدان یا قطبش نور. این توانایی ویژه آنها را قادر می سازد تا با دقت حرکت کنند، به دنبال غذا باشند و با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. گونه‌های دیگر، مانند میگوی آخوندک، می‌توانند طیف وسیع‌تری از نور و همچنین قطبش دایره‌ای یا حالت‌های چرخشی امواج نور را حس کنند. آنها از این قابلیت برای نشان دادن یک “کد عشق” استفاده می کنند، که به آنها کمک می کند جفت خود را پیدا کنند و آنها را کشف کنند.
با الهام از این توانایی ها در قلمرو حیوانات، تیمی از محققان در کالج مهندسی ایالت پن، یک عنصر نوری فوق نازک به نام متاسطح را توسعه داده اند که می تواند به یک دوربین معمولی متصل شود و داده های طیفی و قطبی تصاویر گرفته شده در یک دوربین را رمزگذاری کند. عکس فوری یا ویدیو از طریق نانوساختارهای کوچک آنتن مانند که ویژگی‌های نور را تنظیم می‌کنند. یک چارچوب یادگیری ماشینی که توسط این تیم نیز توسعه یافته است، سپس این اطلاعات بصری چند بعدی را در زمان واقعی روی یک لپ‌تاپ استاندارد رمزگشایی می‌کند.
محققان کار خود را در Science Advances منتشر کرده اند.
Xingjie Ni، دانشیار مهندسی برق و نویسنده ارشد مقاله گفت: «همانطور که قلمرو حیوانات به ما نشان می‌دهد، جنبه‌های نور فراتر از چیزی که با چشم‌هایمان می‌بینیم حاوی اطلاعاتی است که می‌توانیم در کاربردهای مختلف از آن استفاده کنیم. برای انجام این کار، ما به طور موثر یک دوربین معمولی را با ادغام فراسطح خود در آن به یک دوربین ابرطیفی-قطبی سنجی فشرده و سبک تبدیل کردیم.
Ni توضیح داد که دوربین‌های ابرطیفی و پلاریمتری – که اغلب حجیم و گران هستند – داده‌های طیف یا قطبش را می‌گیرند، اما نه هر دو را به طور همزمان. در مقابل، هنگامی که بین لنز و سنسور دوربین عکاسی قرار می گیرد، متاسورفیس سه میلی متری در سه میلی متر، که ساخت آن ارزان است، هر دو نوع داده تصویربرداری را به طور همزمان می گیرد و داده ها را بلافاصله به رایانه منتقل می کند.
سپس تصاویر خام باید رمزگشایی شوند تا اطلاعات طیفی و قطبش آشکار شود. برای دستیابی به این هدف، بوفنگ لیو، دانشجوی دکتری مهندسی برق و یکی از نویسندگان مقاله، یک چارچوب یادگیری ماشینی ساخت که بر روی 1.8 میلیون تصویر با استفاده از تکنیک‌های افزایش داده آموزش داده شده بود.
لیو می‌گوید: «در ۲۸ فریم در ثانیه – که عمدتاً توسط سرعت دوربینی که استفاده می‌کنیم محدود می‌شود – می‌توانیم به سرعت اطلاعات طیفی و قطبی را با استفاده از شبکه عصبی خود بازیابی کنیم.» “این به ما امکان می دهد تا داده های تصویر را در زمان واقعی ضبط و مشاهده کنیم.”
محققان فراسطح و شبکه عصبی خود را با ضبط ویدئویی حروف شفاف “PSU” تحت نورهای مختلف پرتو لیزر آزمایش کردند. آنها همچنین تصاویری از سوسک شکوهمند اسکاراب که به دلیل انعکاس نور قطبی دایره ای قابل مشاهده برای سایر گونه هایش شناخته شده است، ثبت کردند.
نی گفت که اگر این فناوری تجاری شود، دسترسی فوری به اطلاعات ابرطیفی-قطبی اجسام مختلف می تواند به نفع مصرف کنندگان باشد.
نی گفت: «ما می‌توانیم دوربین خود را به خواربارفروشی بیاوریم، عکس‌های فوری بگیریم و تازگی میوه‌ها و سبزیجات موجود در قفسه‌ها را قبل از خرید ارزیابی کنیم. این دوربین افزوده پنجره ای را به سوی دنیای نادیده باز می کند.
به‌علاوه، در کاربردهای زیست‌پزشکی، نی گفت، اطلاعات ابرطیفی-قطبی را می‌توان برای تمایز مواد و خواص ساختاری بافت‌های بدن مورد استفاده قرار داد و به طور بالقوه به تشخیص سلول‌های سرطانی کمک کرد.
این کار بر اساس تحقیقات قبلی Ni و توسعه سایر متاسطحها، از جمله یکی که قدرت پردازش چشم انسان را تقلید می کند، و متالنزها، از جمله یکی که قادر به تصویربرداری از اجسام دور، از جمله ماه است، ساخته شده است.
