撰稿 | NJU-Don
01 导读
近日，卢森堡大学物理与材料科学系Jan P.F. Lagerwall教授、Holger Voos教授和来自美国新泽西理工学院的Mathew Schwartz 教授领导的跨学科科学家团队综述了利用胆甾型球面反射器的显着光学特性可实现人类无法感知，但机器人和增强现实 (AR) 设备非常容易检测和读取的不可克隆标记的研究进展。
这些标记在解决新兴技术中的许多问题方面具有巨大的潜力。通过允许对物理对象进行可靠的识别和跟踪，从而可以与它们的数字孪生计算机表示建立可靠的链接。
该文章近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Unclonable human-invisible machine vision markers leveraging the omnidirectional chiral Bragg diffraction of cholesteric spherical reflectors”，Hakam Agha和Yong Geng为论文的共同第一作者，Jan P.F. Lagerwall教授为论文通讯作者。
02 研究背景
在过去的三十年里，我们通过智能手机和计算机进入的数字世界变得如此丰富和细致，以至于我们的大部分物理世界在这个数字现实中都有了相应的生命。今天，物理和数字现实正在稳步融合，机器人、增强现实 (AR) 和可穿戴数字设备进入我们的物理世界，物理项目在数字世界中获得数字孪生计算机表示。借助区块链等加密技术，可以对数字孪生进行唯一识别并保护其免受操纵。这所提供的信任是非常强大的，有助于打击假冒、提高供应链透明度或实现循环经济。然而，一个弱点是，没有像区块链一样值得信赖的、通用且普遍适用的物理项目标识符，这打破了实体和数字双胞胎之间的联系。
据此，在过去一些年，研究人员提出了使用胆甾型球面反射器（简称 CSRs）（见图一a）来解决这个问题，通过胆甾型球面反射器，物理项目可以被赋予独特且不可克隆的指纹。
图一：胆甾型球面反射器（CSRs）示意图。
Lagerwall教授介绍：CSR 的独特之处在于它们是选择性后向反射器，可将光以任何方向反射回光源（见图一b），但仅限于窄波长带内且仅具有一种特定的圆偏振。窄波段使研究人员能够通过定位近红外或近紫外区域的反射，使CSR无法被人类检测到，但对机器人和 AR 设备来说非常容易读取。圆极化使研究人员能够从任何复杂的背景中仅分离出 CSR 信号，从而使使用CSR编写的任何消息都以极高的对比度脱颖而出。
Schwartz教授指出：尽管后向反射器在动作捕捉工作中很常见，但是普通的后向反射器会发回所有的光，而使用 CSR 制作的基准标记，机器人或 AR 设备可以通过使用无害且不可见的近红外或近紫外光照亮场景，这使得能够在白天或夜间从任何角度跟踪其周围携带标记的物体（见图二）。
Lagerwall教授补充：使用 CSR 制作的标记另一个关键优势是，各个 CSR 的精确局部排列是不可预测的，很难复制，以至于每个 CSR 标记实际上都是不可克隆的。此外，当近距离观察 CSR 标记时，其外观取决于人们如何照亮和观察它，这意味着某个标记在近距离观察时不会给出一个模式，而是无限系列的动态模式，并且每个都是独一无二的。这会将 CSR 标记转换为所谓的物理不可克隆函数，它们在验证物理对象方面非常强大。
图二：人类看不见但机器可读的基准标记。分别用近红外(列1-2)和近紫外(列3-4)后向反射的CSR制成的基准标记的宏观视图，通过记录可见光谱以及近紫外和近红外区域的相机(第一行)和普通手机相机(第二行)看到。标记由常规的白色天花板灯(a/e)和(c/g)照亮，另外由940 nm夜视LED灯(b/f)和395 nm黑光灯(d/h)照亮。虽然在普通光照下很难看到每个标记的图案，但当相应的近红外/紫外灯打开时，用红外/紫外成像相机就会非常清楚。放置在印刷杂志页上的近紫外标记是用(i)中的普通移动手机相机拍摄的，显示它几乎是完全透明的，肉眼很难注意到。
03 综述主体
在本篇综述中，研究人员详细介绍了：什么是胆甾型球面反射器；胆甾型球面反射器和平面胆甾型薄膜在宏观尺度下的光学现象对比；胆甾型球面作为全方向手性布拉格反射器的研究进展；胆甾型球面在光子交叉通信网络节点和光子回声室效应中的研究进展；将胆甾型球面反射器编码至表面并用机器学习检测的研究进展；通过使用胆甾型球面偏振来去除背景，以实现最大对比度的胆甾型图案的研究等；并讨论了胆甾型球面反射器标记是否能转移至近红外和近紫外波段、胆甾型球面反射器标记的潜在应用、胆甾型球面反射器标记在防伪、虚拟现实等的潜在应用。完整综述内容请阅读《Light: Science & Applications》原文。
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