北京时间5月18日，最新一期国际顶级期刊《Nature Communications》（《自然-通讯》）杂志在线发表智谱科技创始人、首席科学家，南大教授曹汛为通讯作者，曹汛教授指导的博士华夏为第一作者的研究论文《Ultra-compact snapshot spectral light-field imaging》。

       该研究成功研发出一种微型化光场光谱四维（3D+光谱）计算成像系统，制备了TiO2超色散超构表面透镜，其中纳米天线的纵宽比高达40:1，攻克了超构表面制备的工艺瓶颈；提出了一种光场光谱解耦重建算法，实现了4nm的光谱分辨率和接近衍射极限的空间分辨率。

       此次研发的微型化的光场光谱成像系统，其大小不仅只有市面上最小的快照式光谱相机的千分之一，更具备接近衍射极限的光场成像能力。迄今为止，首次实现了微尺度条件(可集成于手机)的光场光谱动态成像。

       理想成像需要收集视野内物体的各种信息，如三维空间（深度）和颜色（光谱）信息，但日常生活中所使用的三元色成像技术却将物光丰富的角度信息和光谱信息压缩，使得我们难以获取物体的位置信息和反映物质特征的光谱信息。与之形成鲜明对比的是，光谱成像技术能够在记录场景信息的同时获取光线在各个波段的精细响应，如同捕捉不同物质的光学“基因”。基于这项优势，光谱成像可以拓展在移动支付、食品安全、生命科学、环境监控等多个交叉领域应用的广度和深度，也已成为世界各国不断角逐的战略核心技术。尽管光场成像和光谱成像各自发展迅速，但它们的直接组合会导致成像系统体积庞大，结构复杂，严重阻碍了多维度成像的实际应用。

       在基于超构表面的成像系统中，超构表面器件的色散效应会引入严重的色差，很大程度上降低成像质量，而计算摄像学的发展为超构表面成像系统的发展提供了一条全新的路径。研究团队从第一性出发，反其道而行，将色散效应进一步扩大，再结合计算摄像学实现了高精度的动态光谱成像，该联合研究团队通过使用横向色散超构表面透镜阵列和单色成像传感器展示了微型化的光场光谱动态成像系统 (SLIM：Spectral Lightfield Imager)。SLIM 只需一张快照（单次曝光），即可呈现具有4nm光谱分辨率和接近衍射极限空间分辨率的三维成像，是迈向理想全光成像的重大突破。

 图1SLIM与传统光场成像系统，以及快照式光谱成像系统的对比

 图2超色散超构表面透镜阵列的设计和表征

       图2A显示了超构表面透镜的横向色散成像示意图。在这里，研究团队采用分相原理来解决这种色散操纵情况。采用400nm到667nm作为工作波段，不同波长的相位分布如图2B所示。用这种超构表面透镜进行横向色散聚焦的数值模拟如图2C所示，它很好地符合了相分设计。图2D显示了48×48个TiO2超构表面透镜阵列的俯视扫描电子显微镜 (SEM) 图像。每个超构表面透镜的直径为30µm，包含了超过25,000个TiO2纳米柱和纳米孔（见图2E和图2F）。其中SEM的侧视角图2G显示纳米柱具有近乎完美的垂直侧壁，这对于控制超构表面透镜阵列的有效折射率至关重要。使用具有450至650nm窗口的白光照明，来自物体“4”的光线由超构表面透镜成像到传感器的不同位置，图像之间的明显偏移显示了不同波长光的横向分散（参见图2H）。

 图3超构表面透镜阵列光谱光场成像

       图3A 和 B 分别展示了场景的不同视图，由在不同空间位置的四个不同颜色的字母组成。图3C，SLIM 系统拍摄到的原始数据，插图是红框内区域的放大图像。图3D，光场光谱重建的全聚焦彩色图像，重聚焦深度为 69.8 cm (E)、57.3 cm (F)、45.1 cm (G) 和 37.8 cm (H) 的渲染图像。图3 I-L 分别是四个字母的光谱。红色点线是SLIM系统重建出的光谱，灰色点线是商业光谱仪测量的光谱。

       将计算摄像学和微纳光学这两个当前重要的前沿领域相结合，曹汛教授团队开辟了一条探索全光成像的独特路径，也为光场光谱成像走向移动终端提供了创新思路。

      成果发表链接：

       https://www.nature.com/articles/s41467-022-30439-9