密歇根大学创新：手性光源引领光学革命，推动机器视觉发展

土耳鸡烤鸡

土尔鸡烤鸡 12 月 26 日消息，密歇根大学的研究团队近期宣布了一项具有革命性的科技成果。该团队成功开发出一种能够发射椭圆偏振光的白炽灯泡，亦被称为“扭曲”光。所谓“扭曲”光，或更准确地说“手性现象”，指的是光波在传播过程中表现出的顺时针和逆时针旋转的镜像效应。这与传统光源发出的非偏振光或线性偏振光形成了鲜明对比。尽管这一技术令人难以置信，但它可能彻底颠覆光学与光子学领域。

该灯泡之所以能够产生这种独特的偏振光形态，归功于其灯丝内部的复杂工程设计。通过在微米和纳米级别上引入扭曲结构到钨丝中，光波便继承了这种螺旋形特质，从而形成椭圆偏振光。这种偏振特性的转变，使得人造光源能够模拟自然界中的复杂现象，例如螳螂虾那精妙而复杂的视觉系统。螳螂虾具备惊人的12种感光细胞，远超人类的三种（红、绿、蓝），使其能够识别全部色彩，并能感知部分紫外线和红外线光谱。更令人称奇的是，它们还能够感知圆偏振光，这些神奇的视觉能力使螳螂虾在水下捕食者中独占鳌头。

除了螳螂虾，还有其他一些动物也对偏振光极为敏感。例如蜜蜂、蚂蚁和鸟类利用这种能力进行导航，而章鱼、鱼类则依靠它来进行捕猎或隐藏。这样的例子数不胜数。其中，最具有前景的应用之一便是机器视觉系统。该技术使机器能够感知类似于特定动物所见的光谱，从而极大地提升其环境感知能力。椭圆偏振光能够提供多一层次的信息，相较于散射光，它能显著增强机器识别分析周围环境的能力。例如，通过增加对比度，它能有效改善物体检测和表面纹理识别。如果你曾尝试使用具备自动对焦功能的相机，却发现难以聚焦于平坦表面上，那通常是因为缺乏足够的对比度，使得传感器无法准确分辨物体距离。因此，机器视觉系统的性能越优越，自主导航及机器学习等任务的表现就会越出色。扭曲光线的效果就如同在物体上投射一个三维网格，使得机器视觉能够以更高精度绘制图像。而事实上，螳螂虾也具备类似的能力。

该研究团队负责人、美国国家科学基金会复杂粒子和粒子系统中心主任尼古拉斯·科托夫（Nicholas Kotov）在发表的研究报告中强调：“我们团队的发现对于自动驾驶汽车准确区分鹿和人类至关重要。尽管鹿和人类反射的光线具有相似的波长，但它们的偏振特性存在显著差异。这一差异主要源于鹿皮毛独特的卷曲结构与人类衣物之间的区别。

同时，除机器视觉技术外，此类偏振光的应用前景广泛，可显著提升多种成像技术的效果。例如，在医学诊断和材料科学研究领域，借助更精细的偏振光成像技术，我们能够获得更加详尽和准确的信息。通信系统的革新同样不可忽视。偏振光已经在光纤通信和数据传输中得到应用，使得在单一传输路径上承载更多数据成为可能。通过精确控制光的偏振状态，我们可以为现有的通信基础设施开辟新的数据通道，从而实现更高的数据传输速率以及更强的安全性。

虽然在LED照明早已经普及的时代背景下，白炽灯似乎已经过时，但它却意外地重新焕发生机，有望引领未来的照明技术。然而，现在就将那些尘封已久的旧灯泡从阁楼中取出还为时过早，我们仍需进行大量的研究与开发工作。”