ayx安卓：液晶光谱单透镜：光学成像与光谱勘探功用“合二为一”

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  近来，武汉大学郑国兴、李子乐团队联合南京大学陆延青、陈鹏团队提出了依据光谱单透镜的新式高光谱成像技能。该技能使用液晶的度光波控制才能，将光学成像与光谱勘探功用合二为一，打破了传统高光谱相机中“透镜+光谱仪”级联的约束，为处理微型化光谱成像体系中的“空间光谱”功用彼此限制难题供给了新思路。这一效果将进一步促进高光谱成像技能在便携式传感设备中的使用。

  该研讨效果以“Electrically tunable planar liquid-crystal singlets for simultaneous spectrometry and imaging”为题在线宣布在Light: Science & Applications。李子乐研讨员、陈鹏副教授和郑国兴教授为本文通讯作者。研讨生周舟、张逸恒、谢颖欣为本文一起榜首作者，鹏城试验室余少华院士、南京大学陆延青教授、香港大学张霜教授给予了重要的辅导和主张。该作业得到了国家重点研制方案、国家自然科学基金等项目支撑

  信息获取的维度直接影响着人类对国际的了解和认知。将光波作为载体，以感知国际的信息一直是光学中的重要研讨方向。

  早在17世纪，牛顿就提出了透镜成像公式，并进行了闻名的棱镜色散试验，然后敞开了透镜和光谱仪获取空间和光谱信息的研讨。经过级联这两种器材，可以一起获取空间和光谱数据，然后得到丰厚的信息。

  但是，这种级联办法会引进体系体积、光谱勘探功用以及成像质量之间的限制，阻止高光谱成像体系迈向便携性和小型化。这一问题的实质在于光波调控器材的才能受限：光学成像和光谱勘探功用依赖于不同的光波调控机制（相位调控和光谱调控），二者难以经过单片光学元件完成。因而，为了破除微型化高光谱成像体系中的功用限制，需求探究新的多维度光波调控机理。

  传统透镜仅能获取物体的强度散布信息，研讨团队想象：是不是可以规划一种多功用透镜以获取物体光谱散布？

  为此，他们提出了“光谱单透镜”的概念。为了在坚持原有成像功用的一起，勘探物体的光谱信息，光谱单透镜需求具有两个特征：

  (2) 在不同波长下的聚集特性（如聚集功率等）差异尽可能大，然后更好地提取光谱信息。

  研讨团队发现，平面液晶光学这一渠道可以完美符合光谱单透镜所需的光波调控。在液晶材猜中，分子一般出现某些特定的程度的有序摆放，其均匀取向方向可以由指向矢描绘。

  如图1所示，液晶的指向矢由两个几许上彻底独立的视点方位角和极角描绘。经过深入研讨液晶资料对光波的调控机制，研讨团队发现这两种视点对应两种不同的光波控制才能。其间极角影响液晶的等效双折射率，因而导致其光谱呼应的改动。而经过控制方位角，则可以引进几许相位（又称：PB相位），控制入射光波的波前。因为这两种光波控制取决于液晶的不同几许参数，它们是彻底解耦，互不影响的。因而，可以终究靠光控取向技能控制液晶的方位角散布，进行平面化取向，使其具有透镜聚集功用。与此一起，在器材上施加电压改动液晶的极角，控制透镜的透射光谱，然后得到一起具有宽带聚集和光谱可调特性的平面透镜。

  图1：液晶器材对光波光谱和相位的结构控制。a. 液晶指向矢示意图。b. 光谱调控（只与极角有关）。c. 相位调控（只与方位角有关）。

  依据以上光波调控特性，团队建立了液晶光谱透镜(LC-SLENS)的成像模型，并提出了图2所示的光谱数据立方体重构办法。经过对LC-SLENS施加不同电压，获取多帧不同光谱呼应调制下的强度图画，随后经过凸优化算法逐点康复不同像素的光谱曲线，并经过解卷积完成图画去模糊，然后得到待测方针的光谱数据立方体。

  图2：依据液晶光谱透镜的光谱数据立方体获取。a 初始数据收集。b 光谱图画重构。

  研讨团队加工了液晶透镜，并对其进行了功用表征（图3）。试验依据成果得出，该透镜的光谱呼应可以终究靠外加电压灵敏调理，且不影响透镜的聚集功用。得益于几许相位的宽带特性和特别相位规划，透镜在整个作业波段规模（550 nm 700 nm）内都具有比较好的聚集才能。

  图3：液晶光谱透镜功用表征。a. 器材实物图。b. 不同电压下透镜的光谱呼应。c. 不同波长下的点扩展函数。

  研讨团队进一步将液晶光谱透镜与图画传感器结合，以一种极简的办法构建了高光谱相机。只需将规范相机中的透镜替换为液晶光谱透镜，并对体系的特性进行一次标定，即可获取待测方针的光谱信息。他们选用色彩板与USAF 1951分辨率板进行了高光谱相机功用测验（图4）。其间，重构的光谱保线%，体系空间分辨率到达1.7倍衍射极限，验证了依据光谱单透镜完成高光谱成像的有效性。

  图4. 光谱成像测验成果。a-c. 色彩板光谱成像成果。d-f. 分辨率板光谱成像成果。

  研讨团队所提出的液晶光谱透镜，其功用区厚度仅数微米，具有小型化、轻量化优势；别的，其驱动电压低于10V，可与很多电子仪器设备兼容（无需额定添加配套的驱动硬件），构成“光谱透镜+”的商业使用形式；与依据杂乱贵重半导体工艺（电子束或光刻机光刻、刻蚀、资料成长等）的超外表、二维资料等微型化光谱技能比较，液晶器材的批量制备技能相对老练，其本钱乃至低至数十元，因而具有较高的潜在商业使用价值。

  总而言之，这项作业提出的“光学成像+光谱勘探”功用“二合一”的液晶光谱单透镜，使得高光谱相机在小型化、低本钱化的一起具有高功用。该作业为微型化光谱成像供给了新思路，为便携式智能传感在家庭确诊、消费电子等领域中的广泛使用拓荒新的路途。（来历：我国光学微信大众号）