光譜信息是物質(zhì)最本質(zhì)的特征之一，通過對其探測分析可以獲取物質(zhì)的成分、密度、形狀等多維度信息?；诖?，同時結(jié)合成像裝置，光譜分離成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可同時獲取被探測物體的光譜信息和空間位置信息，廣泛應(yīng)用于地球科學(xué)、環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

雖然光譜分離成像系統(tǒng)已經(jīng)得到了廣泛研究，并形成了多種方案，但是現(xiàn)有光譜分離成像系統(tǒng)仍存在體積龐大、操作繁瑣的缺點(diǎn)，集成化、小型化是光譜分離成像系統(tǒng)的重要發(fā)展趨勢之一。

創(chuàng)新研究

華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心熊偉教授、高輝副教授研究團(tuán)隊針對現(xiàn)有光譜分離成像系統(tǒng)存在體積龐大等問題，創(chuàng)新性地提出了一種基于選擇性光譜響應(yīng)結(jié)構(gòu)的橫向色散多焦點(diǎn)超透鏡（圖1）?；趩纹骷纯墒占煌恢玫墓庾V信息，簡化了獲取光學(xué)信息的過程，推動了小型化光譜分離成像器件的進(jìn)一步發(fā)展。

圖1 橫向色散多焦點(diǎn)超透鏡的設(shè)計概念

設(shè)計原理如圖2所示。首先，團(tuán)隊采用幾何相位調(diào)制原理，設(shè)計了三組分別對Red、Blue、Green（RGB）波段圓偏振光獨(dú)立響應(yīng)的單元結(jié)構(gòu)，所設(shè)計的選擇性光譜響應(yīng)結(jié)構(gòu)具有波長解耦、相位調(diào)制深度大的特點(diǎn)。其次，利用橫向色散機(jī)理計算對應(yīng)于RGB波段所需要的聚焦相位。通過隨機(jī)矩陣編碼方法將三組單元結(jié)構(gòu)與三種聚焦相位一一結(jié)合，這種共享孔徑設(shè)計思路可以有效避免高級次衍射效應(yīng)。

圖2 橫向色散多焦點(diǎn)超透鏡的設(shè)計原理。(a) 幾何相位單元結(jié)構(gòu)；(b) RectB、RectG、RectR結(jié)構(gòu)參數(shù)；(c) RectB、RectG、RectR獨(dú)立調(diào)制時的偏振轉(zhuǎn)換效率與入射光波長的關(guān)系；(d) RectB相位調(diào)制曲線；(e~g) 對應(yīng)于藍(lán)光、綠光、紅光入射的相位分布與隨機(jī)矩陣；(h) 橫向色散多焦點(diǎn)超透鏡的相位分布與矩陣

進(jìn)一步地，對所設(shè)計的超透鏡進(jìn)行全模仿真，如圖3所示。模擬結(jié)果證明了所設(shè)計的超透鏡能夠在目標(biāo)位置處實現(xiàn)多波長分別聚焦的功能，展示了焦點(diǎn)優(yōu)秀的對稱性，同時焦點(diǎn)的半高全寬與理論值接近，實現(xiàn)了接近衍射極限的多波長聚焦。

圖3 橫向色散多焦點(diǎn)超透鏡的聚焦結(jié)果

最后，對所設(shè)計的超透鏡進(jìn)行串?dāng)_分析，如圖4所示。幾何相位單元結(jié)構(gòu)本身具有寬帶響應(yīng)特性，雖然前期設(shè)計中已經(jīng)盡可能地避免單元結(jié)構(gòu)對工作波長以外的光進(jìn)行調(diào)制，但是仍存在一部分調(diào)制量，這使得超透鏡會在目標(biāo)位置以外的地方聚焦。目標(biāo)焦點(diǎn)強(qiáng)度值顯著強(qiáng)于串?dāng)_焦點(diǎn)，因此這種串?dāng)_僅會略微降低聚焦效率，并不影響實際使用過程中的光譜分離功能。未來可以通過改變單元結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料、排列方式等參數(shù)來進(jìn)一步優(yōu)化其光譜響應(yīng)特性，減小串?dāng)_，提升光譜分離性能。

圖4 橫向色散多焦點(diǎn)超透鏡的各波段串?dāng)_結(jié)果

 總結(jié)與展望

本文提出了一種基于平面光學(xué)器件超透鏡的光譜分離技術(shù)，采用選擇性光譜響應(yīng)單元結(jié)構(gòu)編碼RGB三個波段的聚焦相位，基于單片器件即可收集不同位置的光譜信息。所提出的方法將進(jìn)一步推動小型化光譜成像器件的發(fā)展，為創(chuàng)造具有更小尺寸、更強(qiáng)功能的高度集成光學(xué)系統(tǒng)提供設(shè)計靈感，也將進(jìn)一步推動超表面器件走向?qū)嵱没?，真正發(fā)揮其強(qiáng)大光場調(diào)控能力的優(yōu)勢。

同時，本文所提出的光譜分離方法并不只局限于RGB三個波段，可以通過單元結(jié)構(gòu)的設(shè)計、相位分布的計算將其擴(kuò)展到更多波段，實現(xiàn)多光譜成像，甚至是高光譜成像。

參考文獻(xiàn)： 中國光學(xué)期刊網(wǎng)

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