科學家創造了一種緊湊型光譜單色透鏡，它將標準相機變成高光譜相機，從而減少了系統的尺寸和複雜性。 這項突破可將高光譜成像擴展到便攜式應用中，未來還將持續改進。

利用液晶光譜透鏡進行高光譜成像的藝術插圖。 圖片來源：周舟、張以恆、謝迎新、黃天、李子樂、陳鵬、盧燕青、餘少華、張爽、鄭國興

我們收集的資訊決定了我們對世界的理解和看法。 幾個世紀以來，光學一直試圖透過光這個”工具箱”來解釋我們周圍的多維數據。 17 世紀，艾薩克-牛頓爵士提出了透鏡成像公式，並進行了著名的色譜實驗，為這一領域奠定了基礎。

從那時起，透鏡和光譜儀作為捕捉資訊的重要光學元件被廣泛研究。 將這兩個組件串聯起來，可以獲取更多資訊–空間和光譜數據。 然而，這種配置會導致設備佔地面積、光譜解析度和成像品質之間的權衡，阻礙高光譜相機的便攜性和小型化。

在《光：科學與應用》（Science & Application）上發表的一篇新論文中，武漢大學和南京大學的科學家組成的合作團隊推出了一種平面光譜單色透鏡，它將光學成像和計算光譜分析這兩種不同的功能整合到了一個超緊湊的平面裝置中。 有了這種光譜透鏡，只需用光譜透鏡替換原始的透鏡，就可以輕鬆地將標準相機升級為高光譜相機，而無需更換相機的其他部件。

這項研究源自於該計畫首席科學家鄭國興教授研究小組對多維光操控的研究。 “傳統級聯裝置中光譜成像性能的限制，根源在於光學元件的光操控能力。”鄭國興教授說，”光譜和成像是兩種截然不同的資訊獲取技術，它們必須透過獨立的光操控機制來實現。

光譜透鏡是利用平面液晶（LC）光學元件物理來實現的。 “我們重新研究了平面液晶元件的光操縱，發現相位調製和光譜控制可以透過利用兩個幾何上可分離的參數–液晶導向器的方位角取向和極取向–進行獨立定制，”液晶光學專家、該計畫的合作者陳鵬教授說。 “這樣的特性使液晶成為開發光譜透鏡和解決當前小型化光譜成像系統挑戰的理想候選材料。”

在他們提出的LC 光譜透鏡中，每個單元格既是相位調製器，也是電可調光譜濾波器。 這使得LC 設備能夠在寬光譜範圍內實現精確的相位控制，從而獲得高品質的成像；同時，光譜透鏡在不同波長上表現出不同的聚焦特性，從而能夠提取光譜資訊。

研究人員展示了使用LC 光譜透鏡的毫米級高光譜相機的概念驗證。 利用他們的高光譜相機，獲得了500 × 500 像素的高品質光譜影像，平均光譜保真度為96.3%，空間解析度約為衍射極限的1.7 倍。

他們還透過將其應用於各種場景，包括海報和LED 螢幕的高光譜成像，展示了他們提出的高光譜相機的多功能性。 與傳統的高光譜相機相比，他們提出的具有光譜單線透鏡的方法可以大大減小高光譜成像系統的尺寸、重量和複雜性，使其更易於廣泛應用於無人機、智慧型手機和便攜式醫療保健設備等新興領域。

“我們的研究為微型化高光譜成像提供了一種新方法，”共同作者、武漢大學的李子樂教授補充說。 “這項技術不僅簡化了當前的系統，還保持了卓越的性能，非常適合小型化和便攜性至關重要的應用場景。”

隨著研究團隊繼續擴大研究範圍，他們設想探索用其他新型材料實現光譜單線，並透過與其他多功能光操縱平台的協同作用升級光譜透鏡，以展開具有更先進功能的成像系統。

DOI：10.1038/s41377-024-01608-w

編譯自/ ScitechDaily