Ультра

Nature Communications, том 13, номер статьи: 2732 (2022) Цитировать эту статью

9564 Доступа

26 цитат

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Идеальное изображение, к которому постоянно стремятся, требует сбора всех видов оптической информации об объектах обзора, такой как трехмерная пространственная информация (3D), включая планарное распределение и глубину, а также цвета, т. е. спектральная информация (1D). ). Хотя трехмерная пространственная визуализация и спектральная визуализация по отдельности быстро развивались, их простая комбинация представляет собой громоздкую систему, серьезно затрудняющую практическое применение четырехмерной (4D) визуализации. Здесь мы демонстрируем сверхкомпактную спектральную визуализацию светового поля (SLIM) с использованием массива металинз с поперечной дисперсией и монохромного датчика изображения. Имея всего один снимок, SLIM обеспечивает расширенную визуализацию со спектральным разрешением 4 нм и пространственным разрешением, близким к дифракционному пределу. Следовательно, с помощью SLIM можно различать визуально неразличимые объекты и материалы, что способствует значительному прогрессу в направлении идеального пленоптического изображения.

Оптическая визуализация — важная технология, широко используемая для сбора пространственной информации об объектах, от гигантских гор и зданий до микроскопических клеток и даже молекул. Чтобы решить проблему недостаточного разрешения по глубине плоской визуализации, были использованы различные методы трехмерной (3D) визуализации, такие как визуализация светового поля1,2, стереозрение3, структурированное световое освещение4 и методы времени полета5 с дополнительными источниками света. используется для эффективного получения трехмерной пространственной информации о захваченной сцене или объектах. Более того, цветное изображение, основанное на теории трех основных цветов Максвелла, вводит новое измерение, то есть спектральное измерение, в традиционное монохромное изображение, которое просто объединяет все спектры в одну интенсивность. Хотя трехцветные механизмы (красный, зеленый, синий) широко используются в товарных продуктах для визуализации и отображения, потребность в полной спектральной информации становится все более актуальной в различных сценариях применения, таких как распознавание материалов, промышленный контроль и распознавание метамерии. Следовательно, интеграция традиционных методов визуализации и спектроскопии стала неизбежной тенденцией эволюции оптических изображений. За последнее десятилетие было разработано множество эффективных методов спектральной визуализации, сочетающих в себе традиционные планарные визуализации, например, спектральный формирователь изображений с кодированной апертурой (CASSI)6, спектрометр компьютерной томографии (CTIS)7 и спектрометр формирования изображений с модуляцией призменной маски (PMIS)8. . Несмотря на впечатляющие характеристики и возможность создания снимков, все виды оптических элементов, встроенных в камеры, такие как призмы, линзы, решетки и маски, чрезвычайно громоздки, что серьезно препятствует более широкому применению камер. С другой стороны, еще не была продемонстрирована передовая технология визуализации, которая могла бы получать четырехмерную информацию (информация 4D: пространственная информация 3D плюс спектральная информация 1D) при сверхкомпактном размере и высоком качестве.

В последнее время метаповерхности востребованы из-за их компактности, что делает их многообещающей альтернативой тяжелым и сложным объемным оптическим устройствам9,10. Метаповерхность, состоящая из плотного расположения наноантенн, могла бы точно контролировать фазу, интенсивность, поляризацию, орбитальный угловой момент и частоту падающего света9,10,11,12,13. На сегодняшний день среди всех планарных фотонных устройств на основе метаповерхности металинза является наиболее фундаментальной и известной14,15. Благодаря адаптации наноантенн ультратонкие металинзы показали эквивалентные или даже лучшие характеристики с точки зрения эффективности16, числовой апертуры (NA)17, широкополосного ахроматизма18,19, подавления комы20 и т. д. Совсем недавно световое поле на основе массива металинз Также было продемонстрировано, что визуализация позволяет получать 3D-информацию в видимом режиме без каких-либо хроматических аберраций21. В новаторских работах также использовались метаповерхности и другие наноструктуры для получения высококачественных спектров в компактных конфигурациях22,23,24,25. Тем не менее, хотя этот прогресс является хорошей основой для получения спектральной информации, получение 4D-изображений еще далеко из-за сложности одновременного достижения высококачественных спектров и трехмерного пространственного разрешения. В этой работе, используя преимущества массивов металинз с поперечной дисперсией, мы демонстрируем сверхкомпактную систему формирования спектрального светового поля (SLIM) для записи 4D-информации посредством одного снимка с использованием монохромного датчика.