據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，南京大學(xué)王振林教授和祝世寧院士團(tuán)隊(duì)在Nature Communications上報(bào)道其通過(guò)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(chǎng)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(jí)成像。因此，通過(guò)SLIM可以區(qū)分視覺上無(wú)法區(qū)分的物體和材料，這極大地推動(dòng)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(chǎng)成像

光學(xué)成像是一項(xiàng)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(chǎng)成像、立體視覺、結(jié)構(gòu)光照明和帶有附加光源的飛行時(shí)間法）已被用于有效地獲取拍攝場(chǎng)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(gè)新的維度，即光譜維度，其簡(jiǎn)單地將所有光譜整合成一個(gè)單一的強(qiáng)度。雖然三色機(jī)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(cè)和同色異譜識(shí)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(shì)。

在過(guò)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(jì)算機(jī)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(jī)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(jī)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(lái)，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(qiáng)度、偏振、軌道角動(dòng)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(guò)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(chǎng)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(shí)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量光譜和高3D空間分辨率，4D成像仍然遙遙無(wú)期。

近期，南京大學(xué)王振林教授和祝世寧院士團(tuán)隊(duì)利用橫向色散超透鏡陣列構(gòu)建了超緊湊型光譜光場(chǎng)成像（SLIM）系統(tǒng)，其通過(guò)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(gè)TiO2基超透鏡陣列，其與單色CMOS圖像傳感器相結(jié)合。每個(gè)超透鏡的直徑為30μm，包含了超過(guò)25000個(gè)TiO2納米柱和納米孔。值得一提的是，所設(shè)計(jì)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(duì)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(guò)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(gè)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(gè)子孔徑分離，這也是用于重建算法的先驗(yàn)知識(shí)。

SLIM光譜重建算法的數(shù)值模擬結(jié)果

在這項(xiàng)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(jī)時(shí)，由于缺乏來(lái)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(wú)論是光場(chǎng)成像還是光譜成像都不能完全揭示這兩個(gè)物體之間的差異，只有同時(shí)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(guò)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(gè)光譜峰。因此，SLIM捕獲的高分辨率光譜非常適應(yīng)于材料識(shí)別和偽裝鑒別。

利用SLIM進(jìn)行材料識(shí)別

研究人員表示，通過(guò)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(hào)場(chǎng)景。此外，緊湊型SLIM主要是在輕薄的超透鏡陣列中實(shí)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