Naukowcy stworzyli kompaktowy widmowy obiektyw singletowy, który przekształca standardowe kamery w hiperspektralne, zmniejszając rozmiar i złożoność systemu. Ten przełom może rozszerzyć obrazowanie hiperspektralne na zastosowania przenośne, a przyszłe udoskonalenia są w toku.
Informacje, które zbieramy, kształtują nasze rozumienie i perspektywę świata. Optyka od stuleci stara się interpretować otaczające nas wielowymiarowe dane za pomocą „zestawu narzędzi” światła. W XVII wieku Sir Isaac Newton wprowadził formułę obrazowania soczewkowego i przeprowadził swój słynny eksperyment ze widmem kolorów, dostarczając fundamentalnych informacji w tej dziedzinie.
Od tego czasu soczewki i spektrometry były szeroko badane jako podstawowe elementy optyczne do przechwytywania informacji. Kaskadowanie tych dwóch komponentów może pozwolić nam uzyskać więcej informacji – zarówno danych przestrzennych, jak i spektralnych. Jednak taka konfiguracja prowadzi do kompromisów między rozmiarem urządzenia, rozdzielczością widmową i jakością obrazowania, utrudniając przenośność i miniaturyzację kamer hiperspektralnych.
Przełom w obrazowaniu hiperspektralnym
W nowym artykule opublikowanym w Światło: nauka i zastosowaniewspółpracujący zespół naukowców z uniwersytetów w Wuhan i uniwersytetu w Nanjing wprowadził planarną pojedynczą soczewkę widmową, która łączy dwie odrębne funkcje – obrazowanie optyczne i spektrometrię obliczeniową – w jednym, ultrakompaktowym urządzeniu planarnym. Dzięki temu obiektywowi spektralnemu standardową kamerę można łatwo przekształcić w kamerę hiperspektralną, zastępując oryginalny obiektyw obiektywem spektralnym, bez konieczności wymiany innych części kamery.
Niniejsze badanie wywodzi się z badań nad wielowymiarową manipulacją światłem w grupie prof. Guoxinga Zhenga, głównego naukowca tego projektu. „Ograniczenia wydajności obrazowania spektralnego w tradycyjnym układzie kaskadowym wynikają z możliwości manipulacji światłem elementów optycznych” – powiedział prof. Guoxing Zheng. „Spektrometria i obrazowanie to dwie różne techniki pozyskiwania informacji i muszą być realizowane przy użyciu oddzielnego światła mechanizmy manipulacyjne. Musimy zbadać nowe zasady sterowania oświetleniem, aby pokonać ograniczenia wydajności.
Wykorzystanie optyki ciekłokrystalicznej w soczewkach spektralnych
Soczewkę widmową fizycznie zaimplementowano przy użyciu planarnej optyki ciekłokrystalicznej (LC). „Ponownie przyjrzeliśmy się manipulacji światłem w planarnych urządzeniach LC i odkryliśmy, że modulację fazową i kontrolę widmową można dostosować niezależnie, wykorzystując dwa geometrycznie oddzielne parametry – orientację azymutalną i orientację biegunową reżyserów LC” – powiedział prof. Peng Chen, ekspert w dziedzinie cieczy optyka kryształowa i współpracownik tego projektu. „Takie cechy sprawiają, że LC są idealnymi kandydatami do opracowania soczewek spektralnych i sprostania wyzwaniom stojącym przed obecnymi zminiaturyzowanymi systemami obrazowania spektralnego”.
W proponowanej przez nich soczewce widmowej LC każda komórka elementarna działa zarówno jako modulator fazy, jak i elektrycznie przestrajalny filtr widmowy. Dzięki temu urządzenie LC może posiadać precyzyjną kontrolę fazy w szerokim zakresie widmowym, zapewniając obrazowanie wysokiej jakości; jednocześnie soczewka widmowa wykazuje zróżnicowaną charakterystykę ogniskowania na różnych długościach fal, co umożliwia ekstrakcję informacji widmowych.
Demonstracja możliwości kamery hiperspektralnej
Badacze zademonstrowali sprawdzoną koncepcję kamery hiperspektralnej w skali milimetrowej wykorzystującej soczewkę widmową LC. Dzięki kamerze hiperspektralnej uzyskano wysokiej jakości obrazy spektralne o rozdzielczości 500 × 500 pikseli, średnią wierność widmową wynoszącą 96,3% i rozdzielczość przestrzenną ~ 1,7 razy większą niż granica dyfrakcyjna.
Wykazali także wszechstronność proponowanej kamery hiperspektralnej, stosując ją w różnych scenariuszach, w tym w obrazowaniu hiperspektralnym plakatów i ekranów LED. W porównaniu z tradycyjnymi kamerami hiperspektralnymi zaproponowane przez nich podejście z widmową soczewką singletową mogłoby znacznie zmniejszyć rozmiar, wagę i złożoność systemów obrazowania hiperspektralnego, czyniąc je bardziej dostępnymi dla szerokiego zakresu nowych zastosowań, takich jak drony, smartfony i przenośne urządzenia medyczne.
„Nasze badanie dostarcza nowego przepisu na zminiaturyzowane obrazowanie hiperspektralne” – dodał współautor, prof. Zile Li z Uniwersytetu Wuhan. „Ta technologia nie tylko upraszcza obecny system, ale także utrzymuje doskonałą wydajność, dzięki czemu idealnie nadaje się do scenariuszy, w których kluczowa jest miniaturyzacja i przenośność”.
W miarę poszerzania badań zespół planuje zbadać zastosowanie singletu widmowego w innych nowatorskich materiałach, a także ulepszyć soczewkę widmową poprzez synergię z innymi wszechstronnymi platformami do manipulacji światłem, aby rozwinąć systemy obrazowania o bardziej zaawansowane funkcje.
Odniesienie: „Elektrycznie przestrajalne płaskie singlety ciekłokrystaliczne do jednoczesnej spektrometrii i obrazowania” Zhou Zhou, Yiheng Zhang, Yingxin Xie, Tian Huang, Zile Li, Peng Chen, Yan-qing Lu, Shaohua Yu, Shuang Zhang i Guoxing Zheng, 9 wrzesień 2024, Światło: nauka i zastosowania.
DOI: 10.1038/s41377-024-01608-w
