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

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

現(xiàn)有高分辨率光譜儀體積大、結(jié)構(gòu)復雜，難以在日常中廣泛使用。但韓國科學技術(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或可穿戴設(shè)備中得到利用。

韓國科學技術(shù)院生物與腦工程系Mooseok Jang教授的研究團隊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《科學進展》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，可達數(shù)十厘米，并且需要復雜的校準過程來保持準確性。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，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)一直局限于實驗室或工業(yè)制造環(huán)境。

研究團隊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應關(guān)系），轉(zhuǎn)而利用設(shè)計的無序結(jié)構(gòu)作為光學元件。

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，從而精確實現(xiàn)"復雜隨機圖案（散斑）"。

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

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使用計算機生成的散斑庫進行光譜重建

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）的裝置中精確測量可見光到紅外光（440-1300納米）的寬范圍光，分辨率高達1納米。

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

Mooseok Jang教授說："這項技術(shù)克服了現(xiàn)有基于RGB三色機器視覺領(lǐng)域只能區(qū)分和識別三種顏色成分（紅、綠、藍）的局限性，具有多種應用前景。我們預計該技術(shù)將拓展各種應用研究，將實驗室級技術(shù)拓展為日常級機器視覺技術(shù)，應用于食品成分分析、作物健康診斷、皮膚健康測量、環(huán)境污染檢測和生物/醫(yī)學診斷等領(lǐng)域。此外，它還可擴展至各種先進光學技術(shù)，如以高分辨率同時記錄波長和空間信息的高光譜成像技術(shù)、將多波長光精確控制為所需形式的3D光學捕獲技術(shù)，以及捕捉極短時間發(fā)生現(xiàn)象的超快成像技術(shù)。"

該研究由韓國科學技術(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)導完成。

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