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透过鱼眼,轻盈地

神经科学家米奇·罗伊(Mickey Rowe)表示,了解绿太阳鱼如何探测偏振光,或可提高浓雾中航空飞行的安全性。

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绿太阳鱼是一种原产于美国东北部的淡水鱼,即使在浑浊、充满藻类的水中也能发现猎物和捕食者。为了了解它如何在这样的条件下看到东西,宾夕法尼亚大学的神经科学家米奇·罗伊一直在研究它的眼睛。但最初试图了解鱼类视觉的尝试,已经演变成一种成像技术,有一天可能帮助飞行员在浓雾中安全着陆。

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太阳鱼,像一些昆虫而不像所有人,显然可以看到偏振光。正常光由上下、左右以及两者之间所有方向振动的波组成。当这种光线照射到漂浮在浑浊水中的颗粒时,它会向随机方向散射。但是当光线反射离开一些坚固、均匀的表面时,例如鱼的鳞片,一些光线会被偏振——它会优先在一个方向上振动。偏振光本身最终也会在穿过雾气时散射。但对于能够在其完全散射之前看到它的鱼来说,偏振光——以及它反射的物体——仍然在散射的、非偏振光的背景下脱颖而出。

罗伊怀疑,太阳鱼使用独特的视网膜细胞来检测这种偏振光。太阳鱼中相邻的视网膜细胞的长轴(这些细胞是椭圆形的)彼此垂直对齐。每个细胞可能检测到在平行于细胞长轴方向上振动的偏振光。罗伊想知道,这种鱼是否可能以某种方式组合两种不同的偏振图像,以更清楚地了解其环境。

为了验证这个想法,罗伊和宾夕法尼亚大学的电气工程师斯科特·蒂奥(Scott Tyo)将一个刻有垂直划痕和水平划痕的小铝盘浸入装有牛奶的水箱中。他们将灯放在水箱的一侧,将带有可旋转偏振滤光片的相机放在另一侧。相机将其图像传送到计算机。没有偏振滤光片,磁盘上的划痕是不可见的。即使当相机上的滤光片与任何一组划痕对齐,以便它可以拾取从划痕反射的偏振光时,划痕仍然是不可见的。只有当计算机从另一个偏振图像中减去一个偏振图像时,它们才会显示出来。罗伊说,这种减法消除了通过滤光片渗入的任何剩余的非偏振光,从而留下更清晰的偏振图像。

罗伊和蒂奥不确定他们是否复制了太阳鱼眼睛的工作方式,但他们的研究至少向他们提出了一种实际应用。如果机场跑道配备偏振光,则安装在飞机上的成像系统可以定位跑道,引导飞机即使在浓雾中也能安全着陆。罗伊说,因为我们对偏振光视而不见,所以我们根本不会考虑它,而且如果我们能检测到它,我们也不知道它的用处是什么。

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