Цвет, как способ восприятия длины волны света человеческим глазом, выходит за рамки простого эстетического элемента и содержит важную научную информацию, например, о составе или состоянии вещества.
Спектрометры — это оптические устройства, которые анализируют свойства материалов, разлагая свет на составляющие длины волн. Они широко используются в различных научных и промышленных областях, включая анализ материалов, обнаружение химических компонентов и исследования в области наук о жизни.
Существующие спектрометры высокого разрешения были большими и сложными, что затрудняло их широкое ежедневное использование. Однако благодаря ультракомпактному спектрометру высокого разрешения, разработанному исследователями KAIST, ожидается, что информацию о цвете света можно будет использовать даже в смартфонах или носимых устройствах 😃
Исследовательская группа профессора Мусок Чанга с кафедры биоинженерии и инженерии мозга разработала технологию спектрометров на основе реконструкции с использованием двухслойных неупорядоченных метаповерхностей. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Существующие спектрометры высокого разрешения имеют большой форм-фактор, порядка десятков сантиметров, и требуют сложных процессов калибровки для поддержания точности. Это принципиально обусловлено принципом работы традиционных диспергирующих элементов, таких как решётки и призмы, которые разделяют длины волн света в направлении распространения, подобно тому как радуга разделяет цвета.
В результате, несмотря на потенциал широкого использования информации о цвете света в повседневной жизни, спектроскопические технологии были ограничены лабораторными или промышленными условиями.
Исследовательская группа разработала метод, который отходит от традиционной спектроскопической парадигмы использования дифракционных решёток или призм, устанавливающих однозначное соответствие между информацией о цвете света и направлением его распространения, путём использования разработанных неупорядоченных структур в качестве оптических компонентов.
В этом процессе они использовали метаповерхности, которые могут свободно управлять процессом распространения света с помощью структур размером от десятков до сотен нанометров, для точного воспроизведения «сложных случайных паттернов (спеклов)».
В частности, они разработали метод, который включает в себя реализацию двухслойной неупорядоченной метаповерхности для генерации спекл-паттернов, специфичных для длины волны, и последующее восстановление точной цветовой информации (длины волны) света из случайных паттернов, измеренных камерой.
В результате они успешно разработали новую концепцию технологии спектрометра, которая может точно измерять свет в широком диапазоне от видимого до инфракрасного (440–1 300 нм) с высоким разрешением в 1 нанометр (нм) в устройстве размером меньше ногтя (менее 1 см), используя только один захват изображения.
Дун-гу Ли, ведущий автор этого исследования, заявил: «Эта технология реализована таким образом, что она напрямую интегрирована с коммерческими датчиками изображений, и мы ожидаем, что она позволит легко получать и использовать информацию о длине волны света в повседневной жизни при встраивании в мобильные устройства в будущем».
Профессор Мусок Чанг сказал: «Эта технология преодолевает ограничения существующих полей машинного зрения, основанных на трёх цветах RGB, которые различают и распознают только три цветовых компонента (красный, зелёный, синий), и имеет разнообразные приложения».
«Мы ожидаем различных прикладных исследований этой технологии, которая расширяет горизонты лабораторных технологий до повседневных технологий машинного зрения для таких приложений, как анализ пищевых компонентов, диагностика состояния сельскохозяйственных культур, измерение состояния кожи, обнаружение загрязнения окружающей среды и био/медицинская диагностика».
«Кроме того, его можно распространить на различные передовые оптические технологии, такие как гиперспектральная визуализация, которая одновременно записывает длину волны и пространственную информацию с высоким разрешением, 3D-технология оптического захвата, которая точно управляет светом нескольких длин волн в желаемых формах, и технология сверхбыстрой визуализации, которая фиксирует явления, происходящие в очень короткие промежутки времени».
Это исследование проводилось под руководством Дон-гу Ли (кандидата наук) и Гукхо Сонга (кандидата наук) из кафедры биоинженерии и инженерии мозга KAIST в качестве соавторов первой публикации, а профессор Мусок Чанг является ответственным автором.
Предоставлено Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST)