利用橫向色散超透鏡陣列和單色成像傳感器構建了超緊湊型光譜光場成像系統

據麥姆斯咨詢報道，近日，南京大學王振林教授和祝世寧院士團隊在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建了超緊湊型光譜光場成像系統（spectral light-field imaging，SLIM）。SLIM只需一次快照，即可呈現具有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可以區分視覺上無法區分的物體和材料，這極大地推動了理想全光成像技術的發展。

基于超透鏡陣列的光譜光場成像

光學成像是一項重要的技術，廣泛用于收集物體的空間信息，從高山大樓到微觀細胞甚至分子。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（例如光場成像、立體視覺、結構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對象的3D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）廣泛應用于商品成像和顯示產品中，但在材料鑒別、工業檢測和同色異譜識別等各種應用領域對全光譜信息的需求日益迫切。因此，傳統成像與光譜學的融合已成為光學成像發展的必然趨勢。

在過去的十年中，科研學者已經開發出許多結合傳統平面成像的高效光譜成像技術，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元件，例如棱鏡、透鏡、光柵和掩模，都非常笨重，這嚴重阻礙了相機更廣泛的應用。另一方面，一種能夠以超緊湊的尺寸和高質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）的先進成像技術尚未得到有效開發。

近年來，超表面因其輕薄特性而備受青睞，這使其成為笨重、復雜的體光學器件的理想替代品。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、數值孔徑（numerical aperture，NA）、寬帶消色差、彗差消除等方面表現出相當甚至更好的性能。最近，基于超透鏡陣列的光場成像系統也被證明可以在可見光范圍內獲得3D信息而沒有任何色差。開創性的工作還包括利用超表面或其他納米結構以緊湊的配置獲得了高質量的光譜。然而，盡管這一進展為光譜信息獲取奠定了良好的基礎，但由于難以同時實現高質量光譜和高3D空間分辨率，4D成像仍然遙遙無期。

近期，南京大學王振林教授和祝世寧院士團隊利用橫向色散超透鏡陣列構建了超緊湊型光譜光場成像（SLIM）系統，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，所設計的納米柱具有近乎完美的垂直側壁，且最大縱橫比達到了40，這對于控制超透鏡陣列的有效折射率至關重要。

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構和高光線吞吐量。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光譜重建算法的數值模擬結果

在這項工作中，SLIM顯示了超越傳統成像系統的能力。品紅色化學織物布和水彩紙兩種材料在可見光區域顯示出非常相似的光譜分布。當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。采用經過訓練的光譜重建算法后，光譜分辨率最高可達4?nm，可以很好地區分這兩個光譜峰。因此，SLIM捕獲的高分辨率光譜非常適應于材料識別和偽裝鑒別。

利用SLIM進行材料識別

研究人員表示，通過SLIM系統捕獲的4D信息可以輕松地將變色龍與環境區分開。值得注意的是，SLIM的應用不限于可見光透射/反射/發射光譜。同樣的概念可以擴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，可與光子芯片或光纖等光學部件集成?；诔哥R陣列的SLIM的4D成像能力將徹底改變現代光學和生物光學系統。

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