【资讯】光谱分离成像系统的重要发展趋势

光谱信息是物质最本质的特征之一，通过对其探测分析可以获取物质的成分、密度、形状等多维度信息。基于此，同时结合成像装置，光谱分离成像技术应运而生，可同时获取被探测物体的光谱信息和空间位置信息，广泛应用于地球科学、环境监测、智慧农业、生物医学等领域。

虽然光谱分离成像系统已经得到了广泛研究，并形成了多种方案，但是现有光谱分离成像系统仍存在体积庞大、操作繁琐的缺点，集成化、小型化是光谱分离成像系统的重要发展趋势之一。

华中科技大学武汉光电国家研究中心熊伟教授、高辉副教授研究团队针对现有光谱分离成像系统存在体积庞大等问题，创新性地提出了一种基于选择性光谱响应结构的横向色散多焦点超透镜（图1）。基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息，简化了获取光学信息的过程，推动了小型化光谱分离成像器件的进一步发展。

设计原理如图2所示。首先，团队采用几何相位调制原理，设计了三组分别对Red、Blue、Green（RGB）波段圆偏振光独立响应的单元结构，所设计的选择性光谱响应结构具有波长解耦、相位调制深度大的特点。其次，利用横向色散机理计算对应于RGB波段所需要的聚焦相位。最后，通过随机矩阵编码方法将三组单元结构与三种聚焦相位一一结合，这种共享孔径设计思路可以有效避免高级次衍射效应。

进一步地，对所设计的超透镜进行全模仿真，如图3所示。模拟结果证明了所设计的超透镜能够在目标位置处实现多波长分别聚焦的功能，展示了焦点优秀的对称性，同时焦点的半高全宽与理论值接近，实现了接近衍射极限的多波长聚焦。

图3 横向色散多焦点超透镜的聚焦结果

最后，对所设计的超透镜进行串扰分析，如图4所示。几何相位单元结构本身具有宽带响应特性，虽然前期设计中已经尽可能地避免单元结构对工作波长以外的光进行调制，但是仍存在一部分调制量，这使得超透镜会在目标位置以外的地方聚焦。目标焦点强度值显著强于串扰焦点，因此这种串扰仅会略微降低聚焦效率，并不影响实际使用过程中的光谱分离功能。未来可以通过改变单元结构的几何尺寸、材料、排列方式等参数来进一步优化其光谱响应特性，减小串扰，提升光谱分离性能。

本文提出了一种基于平面光学器件超透镜的光谱分离技术，采用选择性光谱响应单元结构编码RGB三个波段的聚焦相位，基于单片器件即可收集不同位置的光谱信息。所提出的方法将进一步推动小型化光谱成像器件的发展，为创造具有更小尺寸、更强功能的高度集成光学系统提供设计灵感，也将进一步推动超表面器件走向实用化，真正发挥其强大光场调控能力的优势。

同时，本文所提出的光谱分离方法并不只局限于RGB三个波段，可以通过单元结构的设计、相位分布的计算将其扩展到更多波段，实现多光谱成像，甚至是高光谱成像。

参考文献： 中国光学期刊网

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