适合智能手机的高分辨率光谱仪

颜色作为人眼感知光波长的结果，不仅是单纯的美学元素，还蕴含物质成分或状态等重要科学信息。

光谱仪是通过将光分解为组成波长来分析物质特性的光学仪器，广泛应用于材料分析、化学成分检测和生命科学研究等科学和工业领域。

现有高分辨率光谱仪体积大、结构复杂，难以在日常中广泛使用。但韩国科学技术院（KAIST）研究人员开发的超紧凑高分辨率光谱仪有望让光的颜色信息在智能手机或可穿戴设备中得到利用。

韩国科学技术院生物与脑工程系Mooseok Jang教授的研究团队利用双层无序超表面成功开发出基于重建的光谱仪技术。该成果发表在《科学进展》上。

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基于双层无序超表面的重建光谱仪示意图。

现有高分辨率光谱仪尺寸较大，可达数十厘米，并且需要复杂的校准过程来保持准确性。这从根本上源于传统色散元件（如光栅和棱镜）的工作原理，这些元件沿着传播方向分离光波长，就像彩虹分离颜色一样。

因此，尽管光的颜色信息在日常生活中具有广泛用途，但光谱技术一直局限于实验室或工业制造环境。

研究团队摒弃了使用衍射光栅或棱镜的传统光谱范式（该范式在光的颜色信息与其传播方向之间建立一一对应关系），转而利用设计的无序结构作为光学元件。

在此过程中，他们采用了超表面，该表面可以利用几十到几百纳米大小的结构自由控制光的传播过程，从而精确实现"复杂随机图案（散斑）"。

具体来说，他们开发了一种方法，通过实现双层无序超表面来产生特定波长的散斑图案，然后从相机测量的随机图案中重建光的精确颜色信息（波长）。

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使用计算机生成的散斑库进行光谱重建

结果，他们成功开发出一种新型光谱仪技术，该技术仅需单次图像捕捉，即可在小于指甲（小于1厘米）的装置中精确测量可见光到红外光（440-1300纳米）的宽范围光，分辨率高达1纳米。

该研究的第一作者Dong-gu Lee表示："这项技术可直接与商用图像传感器集成，未来内置到移动设备中后，预计将可在日常生活中轻松获取和利用光的波长信息。"

Mooseok Jang教授说："这项技术克服了现有基于RGB三色机器视觉领域只能区分和识别三种颜色成分（红、绿、蓝）的局限性，具有多种应用前景。我们预计该技术将拓展各种应用研究，将实验室级技术拓展为日常级机器视觉技术，应用于食品成分分析、作物健康诊断、皮肤健康测量、环境污染检测和生物/医学诊断等领域。此外，它还可扩展至各种先进光学技术，如以高分辨率同时记录波长和空间信息的高光谱成像技术、将多波长光精确控制为所需形式的3D光学捕获技术，以及捕捉极短时间发生现象的超快成像技术。"

该研究由韩国科学技术院生物与脑工程系Dong-gu Lee（博士研究生）和Gookho Song（博士研究生）作为共同第一作者，Mooseok Jang教授作为通讯作者共同领导完成。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adv2376