顏色作為人眼感知光波長(zhǎng)的結(jié)果，不僅是單純的美學(xué)元素，還蘊(yùn)含物質(zhì)成分或狀態(tài)等重要科學(xué)信息。

光譜儀是通過將光分解為組成波長(zhǎng)來分析物質(zhì)特性的光學(xué)儀器，廣泛應(yīng)用于材料分析、化學(xué)成分檢測(cè)和生命科學(xué)研究等科學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域。

現(xiàn)有高分辨率光譜儀體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以在日常中廣泛使用。但韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院（KAIST）研究人員開發(fā)的超緊湊高分辨率光譜儀有望讓光的顏色信息在智能手機(jī)或可穿戴設(shè)備中得到利用。

韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院生物與腦工程系Mooseok Jang教授的研究團(tuán)隊(duì)利用雙層無序超表面成功開發(fā)出基于重建的光譜儀技術(shù)。該成果發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

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基于雙層無序超表面的重建光譜儀示意圖。

現(xiàn)有高分辨率光譜儀尺寸較大，可達(dá)數(shù)十厘米，并且需要復(fù)雜的校準(zhǔn)過程來保持準(zhǔn)確性。這從根本上源于傳統(tǒng)色散元件（如光柵和棱鏡）的工作原理，這些元件沿著傳播方向分離光波長(zhǎng)，就像彩虹分離顏色一樣。

因此，盡管光的顏色信息在日常生活中具有廣泛用途，但光譜技術(shù)一直局限于實(shí)驗(yàn)室或工業(yè)制造環(huán)境。

研究團(tuán)隊(duì)摒棄了使用衍射光柵或棱鏡的傳統(tǒng)光譜范式（該范式在光的顏色信息與其傳播方向之間建立一一對(duì)應(yīng)關(guān)系），轉(zhuǎn)而利用設(shè)計(jì)的無序結(jié)構(gòu)作為光學(xué)元件。

在此過程中，他們采用了超表面，該表面可以利用幾十到幾百納米大小的結(jié)構(gòu)自由控制光的傳播過程，從而精確實(shí)現(xiàn)"復(fù)雜隨機(jī)圖案（散斑）"。

具體來說，他們開發(fā)了一種方法，通過實(shí)現(xiàn)雙層無序超表面來產(chǎn)生特定波長(zhǎng)的散斑圖案，然后從相機(jī)測(cè)量的隨機(jī)圖案中重建光的精確顏色信息（波長(zhǎng)）。

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使用計(jì)算機(jī)生成的散斑庫進(jìn)行光譜重建

結(jié)果，他們成功開發(fā)出一種新型光譜儀技術(shù)，該技術(shù)僅需單次圖像捕捉，即可在小于指甲（小于1厘米）的裝置中精確測(cè)量可見光到紅外光（440-1300納米）的寬范圍光，分辨率高達(dá)1納米。

該研究的第一作者Dong-gu Lee表示："這項(xiàng)技術(shù)可直接與商用圖像傳感器集成，未來內(nèi)置到移動(dòng)設(shè)備中后，預(yù)計(jì)將可在日常生活中輕松獲取和利用光的波長(zhǎng)信息。"

Mooseok Jang教授說："這項(xiàng)技術(shù)克服了現(xiàn)有基于RGB三色機(jī)器視覺領(lǐng)域只能區(qū)分和識(shí)別三種顏色成分（紅、綠、藍(lán)）的局限性，具有多種應(yīng)用前景。我們預(yù)計(jì)該技術(shù)將拓展各種應(yīng)用研究，將實(shí)驗(yàn)室級(jí)技術(shù)拓展為日常級(jí)機(jī)器視覺技術(shù)，應(yīng)用于食品成分分析、作物健康診斷、皮膚健康測(cè)量、環(huán)境污染檢測(cè)和生物/醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。此外，它還可擴(kuò)展至各種先進(jìn)光學(xué)技術(shù)，如以高分辨率同時(shí)記錄波長(zhǎng)和空間信息的高光譜成像技術(shù)、將多波長(zhǎng)光精確控制為所需形式的3D光學(xué)捕獲技術(shù)，以及捕捉極短時(shí)間發(fā)生現(xiàn)象的超快成像技術(shù)。"

該研究由韓國(guó)科學(xué)技術(shù)院生物與腦工程系Dong-gu Lee（博士研究生）和Gookho Song（博士研究生）作為共同第一作者，Mooseok Jang教授作為通訊作者共同領(lǐng)導(dǎo)完成。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adv2376