據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學(xué)王振林教授和祝世寧院士團(tuán)隊在Nature Communications上報道其通過利用橫向色散超透鏡陣列和單色成像傳感器構(gòu)建了超緊湊型光譜光場成像系統(tǒng)（spectral light-field imaging，SLIM）。SLIM只需一次快照，即可呈現(xiàn)具有4nm光譜分辨率和接近衍射極限分辨率的高級成像。因此，通過SLIM可以區(qū)分視覺上無法區(qū)分的物體和材料，這極大地推動了理想全光成像技術(shù)的發(fā)展。

基于超透鏡陣列的光譜光場成像

光學(xué)成像是一項重要的技術(shù)，廣泛用于收集物體的空間信息，從高山大樓到微觀細(xì)胞甚至分子。為了解決平面成像深度分辨率的不足，各種三維（3D）成像技術(shù)（例如光場成像、立體視覺、結(jié)構(gòu)光照明和帶有附加光源的飛行時間法）已被用于有效地獲取拍攝場景或?qū)ο蟮?D空間信息。此外，基于麥克斯韋三元色理論的彩色成像為傳統(tǒng)的單色成像引入了一個新的維度，即光譜維度，其簡單地將所有光譜整合成一個單一的強度。雖然三色機制（紅、綠、藍(lán)）廣泛應(yīng)用于商品成像和顯示產(chǎn)品中，但在材料鑒別、工業(yè)檢測和同色異譜識別等各種應(yīng)用領(lǐng)域?qū)θ庾V信息的需求日益迫切。因此，傳統(tǒng)成像與光譜學(xué)的融合已成為光學(xué)成像發(fā)展的必然趨勢。

在過去的十年中，科研學(xué)者已經(jīng)開發(fā)出許多結(jié)合傳統(tǒng)平面成像的高效光譜成像技術(shù)，例如編碼孔徑快照光譜成像儀（coded aperture snapshot spectral imager，CASSI）、計算機斷層成像光譜儀（computed tomographic imaging spectrometer，CTIS）和棱鏡掩模調(diào)制成像光譜儀（prism-mask modulation imaging spectrometer，PMIS）。盡管其性能和快照能力令人印象深刻，但嵌入相機中的各種光學(xué)元件，例如棱鏡、透鏡、光柵和掩模，都非常笨重，這嚴(yán)重阻礙了相機更廣泛的應(yīng)用。另一方面，一種能夠以超緊湊的尺寸和高質(zhì)量的性能獲取四維信息（4D信息：3D空間信息加上1D光譜信息）的先進(jìn)成像技術(shù)尚未得到有效開發(fā)。

近年來，超表面因其輕薄特性而備受青睞，這使其成為笨重、復(fù)雜的體光學(xué)器件的理想替代品。由密集排列的納米天線組成的超表面可以精確控制入射光的相位、強度、偏振、軌道角動量和頻率。迄今為止，在所有基于超表面的平面光子器件中，超透鏡是最典型和最突出的。通過定制化的納米天線，超薄超透鏡在效率、數(shù)值孔徑（numerical aperture，NA）、寬帶消色差、彗差消除等方面表現(xiàn)出相當(dāng)甚至更好的性能。最近，基于超透鏡陣列的光場成像系統(tǒng)也被證明可以在可見光范圍內(nèi)獲得3D信息而沒有任何色差。開創(chuàng)性的工作還包括利用超表面或其他納米結(jié)構(gòu)以緊湊的配置獲得了高質(zhì)量的光譜。然而，盡管這一進(jìn)展為光譜信息獲取奠定了良好的基礎(chǔ)，但由于難以同時實現(xiàn)高質(zhì)量光譜和高3D空間分辨率，4D成像仍然遙遙無期。

近期，南京大學(xué)王振林教授和祝世寧院士團(tuán)隊利用橫向色散超透鏡陣列構(gòu)建了超緊湊型光譜光場成像（SLIM）系統(tǒng)，其通過單色傳感器的一次快照記錄4D信息。SLIM的主要部件是48 × 48個TiO2基超透鏡陣列，其與單色CMOS圖像傳感器相結(jié)合。每個超透鏡的直徑為30μm，包含了超過25000個TiO2納米柱和納米孔。值得一提的是，所設(shè)計的納米柱具有近乎完美的垂直側(cè)壁，且最大縱橫比達(dá)到了40，這對于控制超透鏡陣列的有效折射率至關(guān)重要。

橫向色散超透鏡示意圖及超透鏡陣列的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像

研究人員所提出的SLIM的本質(zhì)是在通過超透鏡陣列（一種元件代替多種元件：橫向色散元件+代碼孔徑/掩模+微透鏡陣列）成像期間，可以為每個子孔徑自然地形成邊界約束，從而獲得更緊湊的結(jié)構(gòu)和高光線吞吐量。在所提出的SLIM中，圖像被每個子孔徑分離，這也是用于重建算法的先驗知識。

SLIM光譜重建算法的數(shù)值模擬結(jié)果

在這項工作中，SLIM顯示了超越傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的能力。品紅色化學(xué)織物布和水彩紙兩種材料在可見光區(qū)域顯示出非常相似的光譜分布。當(dāng)使用典型的平面成像相機時，由于缺乏來自高分辨率光譜信息的深度信息和材料特性，只能捕獲品紅色“Φ”形圖像。無論是光場成像還是光譜成像都不能完全揭示這兩個物體之間的差異，只有同時獲得4D信息的SLIM成像才能解決此問題。這兩種材料的光譜在618nm和626nm處有接近的峰。采用經(jīng)過訓(xùn)練的光譜重建算法后，光譜分辨率最高可達(dá)4?nm，可以很好地區(qū)分這兩個光譜峰。因此，SLIM捕獲的高分辨率光譜非常適應(yīng)于材料識別和偽裝鑒別。

利用SLIM進(jìn)行材料識別

研究人員表示，通過SLIM系統(tǒng)捕獲的4D信息可以輕松地將變色龍與環(huán)境區(qū)分開。值得注意的是，SLIM的應(yīng)用不限于可見光透射/反射/發(fā)射光譜。同樣的概念可以擴(kuò)展到紅外和拉曼信號場景。此外，緊湊型SLIM主要是在輕薄的超透鏡陣列中實現(xiàn)，可與光子芯片或光纖等光學(xué)部件集成。基于超透鏡陣列的SLIM的4D成像能力將徹底改變現(xiàn)代光學(xué)和生物光學(xué)系統(tǒng)。

論文信息：
Hua, X., Wang, Y., Wang, S. et al. Ultra-compact snapshot spectral light-field imaging. Nat Commun 13, 2732 (2022).
https://doi.org/10.1038/s41467-022-30439-9

審核編輯 ：李倩