利用横向色散超透镜阵列和单色成像传感器构建了超紧凑型光谱光场成像系统

据麦姆斯咨询报道，近日，南京大学王振林教授和祝世宁院士团队在Nature Communications上报道其通过利用横向色散超透镜阵列和单色成像传感器构建了超紧凑型光谱光场成像系统（spectral light-field imaging，SLIM）。SLIM只需一次快照，即可呈现具有4nm光谱分辨率和接近衍射极限分辨率的高级成像。因此，通过SLIM可以区分视觉上无法区分的物体和材料，这极大地推动了理想全光成像技术的发展。

基于超透镜阵列的光谱光场成像

光学成像是一项重要的技术，广泛用于收集物体的空间信息，从高山大楼到微观细胞甚至分子。为了解决平面成像深度分辨率的不足，各种三维（3D）成像技术（例如光场成像、立体视觉、结构光照明和带有附加光源的飞行时间法）已被用于有效地获取拍摄场景或对象的3D空间信息。此外，基于麦克斯韦三元色理论的彩色成像为传统的单色成像引入了一个新的维度，即光谱维度，其简单地将所有光谱整合成一个单一的强度。虽然三色机制（红、绿、蓝）广泛应用于商品成像和显示产品中，但在材料鉴别、工业检测和同色异谱识别等各种应用领域对全光谱信息的需求日益迫切。因此，传统成像与光谱学的融合已成为光学成像发展的必然趋势。

在过去的十年中，科研学者已经开发出许多结合传统平面成像的高效光谱成像技术，例如编码孔径快照光谱成像仪（coded aperture snapshot spectral imager，CASSI）、计算机断层成像光谱仪（computed tomographic imaging spectrometer，CTIS）和棱镜掩模调制成像光谱仪（prism-mask modulation imaging spectrometer，PMIS）。尽管其性能和快照能力令人印象深刻，但嵌入相机中的各种光学元件，例如棱镜、透镜、光栅和掩模，都非常笨重，这严重阻碍了相机更广泛的应用。另一方面，一种能够以超紧凑的尺寸和高质量的性能获取四维信息（4D信息：3D空间信息加上1D光谱信息）的先进成像技术尚未得到有效开发。

近年来，超表面因其轻薄特性而备受青睐，这使其成为笨重、复杂的体光学器件的理想替代品。由密集排列的纳米天线组成的超表面可以精确控制入射光的相位、强度、偏振、轨道角动量和频率。迄今为止，在所有基于超表面的平面光子器件中，超透镜是最典型和最突出的。通过定制化的纳米天线，超薄超透镜在效率、数值孔径（numerical aperture，NA）、宽带消色差、彗差消除等方面表现出相当甚至更好的性能。最近，基于超透镜阵列的光场成像系统也被证明可以在可见光范围内获得3D信息而没有任何色差。开创性的工作还包括利用超表面或其他纳米结构以紧凑的配置获得了高质量的光谱。然而，尽管这一进展为光谱信息获取奠定了良好的基础，但由于难以同时实现高质量光谱和高3D空间分辨率，4D成像仍然遥遥无期。

近期，南京大学王振林教授和祝世宁院士团队利用横向色散超透镜阵列构建了超紧凑型光谱光场成像（SLIM）系统，其通过单色传感器的一次快照记录4D信息。SLIM的主要部件是48 × 48个TiO2基超透镜阵列，其与单色CMOS图像传感器相结合。每个超透镜的直径为30μm，包含了超过25000个TiO2纳米柱和纳米孔。值得一提的是，所设计的纳米柱具有近乎完美的垂直侧壁，且最大纵横比达到了40，这对于控制超透镜阵列的有效折射率至关重要。

横向色散超透镜示意图及超透镜阵列的扫描电子显微镜（SEM）图像

研究人员所提出的SLIM的本质是在通过超透镜阵列（一种元件代替多种元件：横向色散元件+代码孔径/掩模+微透镜阵列）成像期间，可以为每个子孔径自然地形成边界约束，从而获得更紧凑的结构和高光线吞吐量。在所提出的SLIM中，图像被每个子孔径分离，这也是用于重建算法的先验知识。

SLIM光谱重建算法的数值模拟结果

在这项工作中，SLIM显示了超越传统成像系统的能力。品红色化学织物布和水彩纸两种材料在可见光区域显示出非常相似的光谱分布。当使用典型的平面成像相机时，由于缺乏来自高分辨率光谱信息的深度信息和材料特性，只能捕获品红色“Φ”形图像。无论是光场成像还是光谱成像都不能完全揭示这两个物体之间的差异，只有同时获得4D信息的SLIM成像才能解决此问题。这两种材料的光谱在618nm和626nm处有接近的峰。采用经过训练的光谱重建算法后，光谱分辨率最高可达4 nm，可以很好地区分这两个光谱峰。因此，SLIM捕获的高分辨率光谱非常适应于材料识别和伪装鉴别。

利用SLIM进行材料识别

研究人员表示，通过SLIM系统捕获的4D信息可以轻松地将变色龙与环境区分开。值得注意的是，SLIM的应用不限于可见光透射/反射/发射光谱。同样的概念可以扩展到红外和拉曼信号场景。此外，紧凑型SLIM主要是在轻薄的超透镜阵列中实现，可与光子芯片或光纤等光学部件集成。基于超透镜阵列的SLIM的4D成像能力将彻底改变现代光学和生物光学系统。

论文信息：
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

审核编辑 ：李倩