受螳螂虾启发，又一篇《Science》子刊

作者|高分子科学前沿  来源|高分子科学前沿(ID：Polymer-science)

光谱偏振成像（SPI）是获取场景中空间、光谱和偏振信息的四维测量技术，这种先进的成像方法正在农业、医学、国防、空间探测等多个领域掀起一场技术革命，特别是SPI在生物医学成像中起着关键的作用，例如诊断人类癌症组织。光谱成像量化了组织氧化和黑色素分布的变化，相反，偏振成像减少了来自空气/组织界面的表面和镜面反射，并且能够提高细节的可见性。将这两种模式结合起来，就可以将健康组织与病变或受损组织区分开来，其灵敏度比单独每种测量模式更高。除了需要较厚的双折射元件与分光计一起进行光调制之外，电流检测器级SPI还需要时间数据收集或使用空间分离的检测元件的快照成像方法。前者容易出现时间图像配准错误，严重影响图像质量。后者解决了时间配准错误，但由于其四个空间分离的偏振敏感探测器，导致了固有的空间配准错误，这增加了图像传感器的尺寸和成本，并引入了空间采样误差，特别是在场景边缘周围。此外，可以通过材料选择使用垂直堆叠的有机光电检测器实现光谱检测，但依赖于给定的有机异质结的吸收特性限制了实现窄带检测的能力，并且限制了可同时感测的光谱通道的数量。由于每个材料/颜色组合所需的材料处理条件下的变化，还增加了制造复杂性。

事实上，受螳螂虾（statopod）的复眼结构启发而开发出来的多光谱和偏振敏感（SIMPOL）传感器，可以通过将半透明偏振敏感的有机光伏（P-OPV）探测器与紧凑型折叠聚合物缓速器（FRs）相结合，使用FR与全色P-OPV一起实现光谱检测，以形成Solc-like滤波器，从而通过偏振干涉实现颜色选择性。通过串联检测器结构，使用偏振控制光的光谱分布，克服了当前SPI传感器的空间和时间采样误差，并且使得光能够有效地进一步传输到串联堆栈中。另外，由于通过偏振控制来检测光谱，所以可以容易地测量入射偏振状态。最后，检测器的子电池可以用相同的有机半导体有源层组装，因为它不依赖聚合物的固有光谱吸收特性来执行光谱过滤，简化了处理和制造。SIMPOL传感器的设计自由度允许广泛控制设备的光谱和极化灵敏度。

为了在快照配置中使用单个像素实现同时的光谱和偏振传感，来自美国北卡罗拉州立大学的Michael Kudenov教授团队，从模仿自然环境中螳螂虾的复眼结构出发，介绍了SIMPOL探测器的概念，并证明它模拟口足类动物视觉系统的光谱和偏振模式，经建模表明该探测器能够在可见光谱上检测15个光谱带。与先前报导的P-OPV相比，这种摩擦策略提高了探测器的极化灵敏度，从而改善了系统性能。最后，作者用由六个串联的P-OPV探测器组成的传感器演示了这一概念，其中最后四个探测器与四个FR串联以实现多光谱传感。不同的FR层包含多个具有优化分散特性的聚合物缓凝剂薄膜，这使得光谱分辨率高达16.9nm，具有较高的光谱重建精度，平均均方根误差（RMSE）为2.17%。该SIMPOL系统标志着第一个能够准确模拟螳螂虾视觉系统中所有自由度的探测器的成功设计，多光谱和偏振传感沿同一光轴同时实现是该系统最大的优点，这一概念为提升高光谱和偏振成像提供了新的途径。该工作以“Mantis shrimp–inspired organic photodetector for simultaneous hyperspectral and polarimetric imaging”为题发表在最新一期的《Science Advances》杂志上。

1. 原理介绍

图1中描绘了一种口足类动物（Odontodactylus scyllarus），其口足眼由数万个光学单位组成，称为眼窝，形成三个部分：腹半球（VH），背侧半球（DH）和窄中带（MB）。如图1D，MB层的特征是六个不同的专门的眼窝。第1行至第4行包含多达12个光感受器，其光谱灵敏度从紫外线（UV）到远红不等，而第5行和第6行对圆极化敏感。光首先进入角膜和晶体锥，它聚焦到一个叫做横纹杆的受体区域。这里，光通过色素细胞进行色度过滤，并穿过垂直堆叠在横纹肌中的一系列光敏视网膜细胞（R8和R1至R7）。口足类视网膜细胞的双向横截面如图1C所示。这些细胞，特别是在VH和DH区中具有正交布置的交叉微绒毛，共同用作偏振分析器。在整个眼睛中，VH中的横纹方向相对于DH中的横纹方向偏移45°，产生四个独特的微柱方向，这四个方向之间的区别存在于神经层面，使得能够重建部分线性偏振光。请注意，这些光谱和偏振模式不能全部在螳螂虾的单个栉孔扇贝（像素）中实现，而是在多个栉孔扇贝中实现。

图1. （A）螳螂虾图片；（B）口足眼的正面视图；（C）横纹的双向横截面；（D）中带的矢状横截面（24,57）的表示。细胞R1至R8的颜色不同以区分其光谱灵敏度。（E）SIMPOL传感器的结构。虚线箭头表示硅藻土传输轴。（F）折叠缓速器元件和每个折叠缓速器的设计光谱延迟。

SIMPOL探测器可容纳螳螂虾眼睛的许多特征，其优点是所有的光学模式（光谱和偏振）都在一个像素中同时实现。如图1E所示，它由六个半透明的P-OPV（OPV1至OPV6）和一个线性偏振器（LP）组成，该偏振器位于堆叠中的OPV2下方。此外，OPV3至OPV6依次与双折射折叠缓速器FR1至FR4交替。每个FR由N层聚合物缓凝剂膜（r1-rN）组成，具有相同的厚度L和以折叠方式定向的快轴，如图所示1F所示。然后，通过在薄膜平面中定向聚合物半导体并利用聚合物的各向异性光学特性，可以引入OPV电池的偏振灵敏度。光的偏振状态由OPV1和OPV2检测，OPV1和OPV2名义上分别对相对于x轴的0°和+45°偏振光敏感。虽然这些探测器吸收的光跨越广泛的波长范围，优化其衰减和透射率使大多数光进入光谱传感器（OPV3至OPV6），提供了在偏振和光谱信噪比之间的合理平衡。然后，OPV2输出处的透射光被LP（LP0）偏振，透射轴平行于x轴。然后，光穿过第一双折射元件FR1并且经历从一系列延迟层r1到rN的连续相位延迟。这一过程导致带内光的光偏振态旋转90°，使OPV3能够吸收，而带外光不旋转，使OPV3能够将其传输到随后的OPV检测器，发射的光可以进一步旋转并由后续的FR和OPV检测。此外，由于所有光谱OPV（OPV3至OPV6）具有垂直于x轴的吸收轴，它们的光谱积分提供了第三光谱宽带偏振通道，该通道产生+90°偏振光的标准测量。结合从OPV1到OPV2获得的信息，该SIMPOL传感器实现了宽带全线性偏振和多光谱传感，这两种传感方式可以在单个像素上同时实现。

该传感器与螳螂虾视觉系统的功能相似之处主要在以下四个方面：（i）共轭聚合物链与横纹肌中发现的微绒毛相似；（ii）折叠延迟器与色素细胞相似；（iii）OPV1到OPV6与感光细胞相似；以及（iv）SIMPOL堆叠沿单个光轴对齐，与单个螳螂堆叠相似。所有这些特征都可以在单像素传感器结构中实现，光谱通道的数量主要受OPV的透射率和响应特性的限制。

2. SIMPOL检测器特性

图2A显示了非理想P-OPV细胞的吸收光谱。在这些条件下，OPV吸收曲线的大小随着光通过叠加而减小。具有优化垂直吸收率的OPV可抵消这种行为，使探测器响应正常化。FWHM随FR中使用的延迟膜（N）数量的增加而减小。提高频谱分辨率可以使更多的频谱通道适应特定的频谱带宽。作者通过考虑由15个堆叠FR-OPV对组成的SIMPOL传感器设计来证明了这一点。这些结果强调了SIMPOL传感器实现高光谱成像的潜力，这种能力对于需要获取窄带光谱图像以显示被测样品的不同特征的应用尤其有益。

图2检测器的光谱灵敏度。（A）具有非理想OPV二色性的四个堆叠OPV-FR对的模拟吸收光谱;（B）FWHM光谱分辨率作为每个折叠缓速器的缓速器数量的函数;（C）具有接近理想OPV二色性的15个堆叠OPV-FR对的模拟吸收光谱;（D）制备的FR滤波器的测量透射光谱。

图3. （A）PBn DT-FTAZ和P（NDI2OD-T2）的化学结构。（B）定向聚合物半导体层和（C）半透明偏振OPV电池层的摩擦过程的图示。（D）取向的PBn DT-FTAZ：P（NDI2OD-T2）薄膜在平行于摩擦方向和垂直于摩擦方向的线偏振光下的吸收各向异性，以及由此产生的二色比。（E）P-OPV电池在线偏振光和下对摩擦方向的响应性。

3. 偏振和光谱成像

作者用单像素SIMPOL传感器进行了光谱和偏振成像。这里采用的成像技术是在SIMPOL传感器保持静止的情况下，对目标进行空间光栅扫描。完整的实验设置如图4A所示。传感器结构包括六个OPV检测器（OPV1至OPV6）和四个FR滤波器（FR1至FR4）。相对于x轴，OPV1定向为0°，OPV2定向为45°，OPV3定向为90°。此外，将红色、蓝色、绿色和黄色FR过滤器分别放置在OPV3、OPV4、OPV5和OPV6的前面。该配置使得能够使用OPV3至OPV6以及使用OPV1（I0）、OPV2（I1）的三个全色偏振强度以及从OPV3至OPV6（I2）的检测强度的总和来检测四个光谱通道。这提供了三种强度I0、I1和I2，在偏振方面名义上相当于I0、I45和I90。实验中选择的目标是一张由印在透明胶片上的七支彩色铅笔组成的图像，图像大小为47毫米×47毫米。作者还通过切割LP膜来表示NCSU，将偏振特性添加到图像中，每个字母包含不同的偏振角。使用旋转偏振分析仪和辐射计实验测量了每个字母的偏振角。对于每个字母，旋转参考分析仪，直到辐射计的输出返回最小强度值，指示字母和参考分析仪之间的90°偏移。测量了N、C、S和U的每个字母的偏振角分别为5°、166°、99°和142°。使用相同的参考偏振器和方法来确定OPV细胞的透射轴，以建立共同的参考帧。

图4. SIMPOL成像设置和偏振成像。（A）SIMPOL单像素相机的实验设置；（B）总强度S0；（C）S1/S0重建；（D）S2/S0重建；（E）DoLP；（F）AoP；和（G）感知均匀偏振-颜色映射。

尽管该工作成功地演示了SIMPOL传感器在自由空间配置中的全部功能，但未来仍需努力探究的方向包括（i）将SIMPOL传感器整体集成在紧凑的设计中；（ii）实现SIMPOL传感器的像素化2D阵列以进行实时成像。SIMPOL传感器的一个关键优点是OPV层由相同的材料制成，具有均匀的光学和电学特性。此外，折叠延迟器可以由液晶聚合物制成，液晶聚合物比标准聚合物延迟器膜薄两个数量级，同时保持颜色过滤性能。这两个因素基本上促进了单个SIMPOL像素的制造，使得能够使用例如软印刷技术的滚转工艺进行单个基板印刷。最后一个重要步骤是将单个SIMPOL像素扩展到像素化的2D阵列。我们认为实现单片SIMPOL传感器阵列是可以实现的，特别是考虑到为商用有机发光二极管显示器开发的先进制造技术。

4. 结论

该工作提出了一种模拟螳螂虾视觉系统的仿生光谱偏振传感器SIMPOL。该结构基于将P-OPV与聚合物缓速器集成，以在多光谱和偏振传感中实现应用。该设计方法能够测量从400到750nm的15个光谱通道。实验表明，该传感器能检测到4个光谱通道，光谱分辨率可达16.9nm，具有较高的光谱重建精度，平均RMSE为2.17%。此外，该传感器还可以检测到三个偏振通道，并以低至0.59%的RMSE进行偏振重构。该传感器有可能对使用有机半导体作为光电探测器产生重大影响，推动沿单光轴进行高光谱和偏振成像的紧凑型整体式有机探测器的开发。SIMPOL探测器以较小的尺寸、高效的偏振和光谱性能，将特别有益于需要同时测量光谱和偏振数据的成像应用。

编者按：本文转载自微信公众号：高分子科学前沿(ID：Polymer-science)