从科幻到现实： 简单更换镜头将普通相机变身高光谱设备

科学家们发明了一种紧凑型光谱单色透镜，可将标准照相机变成高光谱照相机，从而减小了系统的体积和复杂性。这一突破可将高光谱成像扩展到便携式应用中，未来还将有更多改进。

我们收集的信息影响着我们对世界的理解和看法。几个世纪以来，光学一直试图通过光的“工具箱”来解释我们周围的多维数据。17 世纪，Sir Isaac Newton提出了透镜成像公式，并进行了著名的色谱实验，为这一领域奠定了基础。

从那时起，透镜和光谱仪作为捕捉信息的重要光学元件被广泛研究。将这两个组件串联起来，可以获取更多信息--空间和光谱数据。然而，这种配置会导致设备占地面积、光谱分辨率和成像质量之间的权衡，阻碍高光谱相机的便携性和小型化。

高光谱成像的突破

在《光： 科学与应用》（Light: Science & Application）上发表的一篇新论文中，由武汉大学和南京大学科学家组成的合作团队推出了一种平面光谱单色透镜，它将光学成像和计算光谱学这两种不同的功能整合到了一个超紧凑的平面装置中。有了这种光谱透镜，只需用光谱透镜替换原来的透镜，就可以轻松地将标准相机升级为高光谱相机，而无需更换相机的其他部件。

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

使用液晶光谱镜头进行高光谱成像的效果图。

这项研究源于该项目首席科学家Guoxing Zheng教授课题组对多维光操控的研究。Guoxing Zheng教授说：“传统级联装置的光谱成像性能受限，根源在于光学元件的光操控能力。我们需要探索新的光控原理，以克服性能限制。”

将液晶光学器件用于光谱透镜

光谱透镜是利用平面液晶（LC）光学器件物理实现的。液晶光学专家、该项目的合作者Peng Chen教授说：“我们重新研究了平面液晶器件的光操纵，发现相位调制和光谱控制可以通过利用两个几何上可分离的参数，液晶导向器的方位角取向和极取向——进行独立定制。这样的特性使液晶成为开发光谱透镜和解决目前小型化光谱成像系统挑战的理想候选材料。”

在他们提出的液晶光谱透镜中，每个单元格既是相位调制器，又是电可调光谱滤波器。这使得 LC 设备能够在宽光谱范围内实现精确的相位控制，从而获得高质量的成像；同时，光谱透镜在不同波长上表现出不同的聚焦特性，从而能够提取光谱信息。

演示高光谱相机的功能

研究人员使用 LC 光谱透镜演示了一台概念验证型毫米级高光谱相机。利用他们的高光谱相机，获得了 500 × 500 像素的高质量光谱图像，平均光谱保真度为 96.3%，空间分辨率约为衍射极限的 1.7 倍。

他们还通过将其应用于海报和 LED 屏幕的高光谱成像等各种场景，展示了所提出的高光谱相机的多功能性。与传统的高光谱相机相比，他们提出的带有光谱单子透镜的方法可以大大减小高光谱成像系统的尺寸、重量和复杂性，使其更易于广泛应用于无人机、智能手机和便携式医疗保健设备等新兴领域。

共同作者、武汉大学的Zile Li教授补充说：“我们的研究为微型化高光谱成像提供了一种新方法，这项技术不仅简化了当前的系统，还保持了卓越的性能，是微型化和便携性至关重要的应用场景的理想选择。”

随着研究范围继续扩大，他们设想探索用其他新型材料实现光谱单线，并通过与其他多功能光操纵平台的协同作用升级光谱透镜，以展开具有更先进功能的成像系统。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41377-024-01608-w