Бабочки видят мир красочнее, чем люди, включая большее количество цветов и поляризацию света. Эта способность позволяет им точно ориентироваться, добывать пищу и общаться друг с другом. Другие виды, например раки-богомолы, способны воспринимать еще более широкий спектр света, а также круговую поляризацию (вращающиеся состояния) световых волн. Они используют эту способность для передачи «любовного кода», который помогает им находить партнеров и быть ими обнаруженными.
Вдохновившись способностями животного мира, команда исследователей из Инженерного колледжа штата Пенсильвания разработала ультратонкий оптический элемент, известный как метаповерхность, который можно прикрепить к обычной камере и закодировать спектральные и поляризационные данные изображений, полученных на снимке или видео, с помощью крошечных, похожих на антенны наноструктур, которые регулируют свойства света. Система машинного обучения, также разработанная командой, декодирует эту многомерную визуальную информацию в режиме реального времени на обычном ноутбуке. Ученые опубликовали свою работу в журнале Science Advances.
«Мы превратили обычную камеру в компактную и легкую гиперспектро-поляриметрическую, интегрировав в нее нашу метаповерхность», – говорит Синьцзе Ни, доцент кафедры электротехники и ведущий автор статьи.
Гиперспектральные и поляриметрические камеры, которые часто бывают громоздкими и дорогими в производстве, снимают либо спектр, либо поляризационные данные. В отличие от них, метаповерхность размером три на три миллиметра недорогая в производстве, при размещении между объективом и датчиками фотокамеры захватывает оба типа изображений одновременно и сразу же передает их на компьютер.
Затем необработанные фотографии необходимо декодировать, чтобы выявить спектральную и поляризационную информацию. Для этого Бофенг Лю, докторант кафедры электротехники и соавтор статьи, создал систему, обученную на 1,8 миллионах изображений с использованием методов расширения данных.
«При 28 кадрах в секунду, что в основном ограничено скоростью используемой нами камеры, мы можем быстро восстановить спектральную и поляризационную информацию с помощью нашей нейронной сети. Это позволяет получать и просматривать данные изображения в режиме реального времени», – говорит Лю.
По словам Ни, мгновенный доступ к гиперспектро-поляриметрической информации о различных объектах может принести пользу, если эта технология будет коммерциализирована. «Мы могли бы брать с собой камеру в продуктовый магазин, делать снимки и оценивать свежесть овощей и фруктов на полках перед покупкой. Эта дополненная камера открывает окно в невидимый мир», – говорит Ни.
Кроме того, в биомедицинских приложениях гиперспектро-поляриметрическая информация может быть использована для дифференциации материальных и структурных свойств тканей в организме, что может помочь в диагностике раковых клеток.
[Фото: ru.123rf.com]