科學家們發(fā)明了一種緊湊型光譜單色透鏡，可將標準照相機變成高光譜照相機，從而減小了系統(tǒng)的體積和復雜性。這一突破可將高光譜成像擴展到便攜式應用中，未來還將有更多改進。

我們收集的信息影響著我們對世界的理解和看法。幾個世紀以來，光學一直試圖通過光的“工具箱”來解釋我們周圍的多維數(shù)據(jù)。17 世紀，Sir Isaac Newton提出了透鏡成像公式，并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信息的重要光學元件被廣泛研究。將這兩個組件串聯(lián)起來，可以獲取更多信息--空間和光譜數(shù)據(jù)。然而，這種配置會導致設備占地面積、光譜分辨率和成像質(zhì)量之間的權(quán)衡，阻礙高光譜相機的便攜性和小型化。

高光譜成像的突破

在《光： 科學與應用》（Light: Science & Application）上發(fā)表的一篇新論文中，由武漢大學和南京大學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學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來的透鏡，就可以輕松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。

圖片:Artistic-Illustration-of-Hyperspectral-Imaging-With-the-Liquid-Crystal-Spectral-Lens.png

使用液晶光譜鏡頭進行高光譜成像的效果圖。

這項研究源于該項目首席科學家Guoxing Zheng教授課題組對多維光操控的研究。Guoxing Zheng教授說：“傳統(tǒng)級聯(lián)裝置的光譜成像性能受限，根源在于光學元件的光操控能力。我們需要探索新的光控原理，以克服性能限制�！�

將液晶光學器件用于光譜透鏡

光譜透鏡是利用平面液晶（LC）光學器件物理實現(xiàn)的。液晶光學專家、該項目的合作者Peng Chen教授說：“我們重新研究了平面液晶器件的光操縱，發(fā)現(xiàn)相位調(diào)制和光譜控制可以通過利用兩個幾何上可分離的參數(shù)，液晶導向器的方位角取向和極取向——進行獨立定制。這樣的特性使液晶成為開發(fā)光譜透鏡和解決目前小型化光譜成像系統(tǒng)挑戰(zhàn)的理想候選材料�！�

在他們提出的液晶光譜透鏡中，每個單元格既是相位調(diào)制器，又是電可調(diào)光譜濾波器。這使得 LC 設備能夠在寬光譜范圍內(nèi)實現(xiàn)精確的相位控制，從而獲得高質(zhì)量的成像；同時，光譜透鏡在不同波長上表現(xiàn)出不同的聚焦特性，從而能夠提取光譜信息。

演示高光譜相機的功能

研究人員使用 LC 光譜透鏡演示了一臺概念驗證型毫米級高光譜相機。利用他們的高光譜相機，獲得了 500 × 500 像素的高質(zhì)量光譜圖像，平均光譜保真度為 96.3%，空間分辨率約為衍射極限的 1.7 倍。

他們還通過將其應用于海報和 LED 屏幕的高光譜成像等各種場景，展示了所提出的高光譜相機的多功能性。與傳統(tǒng)的高光譜相機相比，他們提出的帶有光譜單子透鏡的方法可以大大減小高光譜成像系統(tǒng)的尺寸、重量和復雜性，使其更易于廣泛應用于無人機、智能手機和便攜式醫(yī)療保健設備等新興領域。

共同作者、武漢大學的Zile Li教授補充說：“我們的研究為微型化高光譜成像提供了一種新方法，這項技術不僅簡化了當前的系統(tǒng)，還保持了卓越的性能，是微型化和便攜性至關重要的應用場景的理想選擇�！�

隨著研究范圍繼續(xù)擴大，他們設想探索用其他新型材料實現(xiàn)光譜單線，并通過與其他多功能光操縱平臺的協(xié)同作用升級光譜透鏡，以展開具有更先進功能的成像系統(tǒng)。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01608-w