Цвет как носитель научной информации
Цвет, как способ восприятия длины волны света человеческим глазом, выходит за рамки простого эстетического элемента и содержит важную научную информацию, например, о составе вещества или его состоянии.
Спектрометры: оптические устройства для анализа свойств материалов
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.
Проблема больших габаритов и сложности существующих спектрометров высокого разрешения
Существующие спектрометры высокого разрешения были крупными и сложными, что затрудняло их повсеместное использование. Однако благодаря разработке ультракомпактного спектрометра высокого разрешения исследовательской группой KAIST ожидается, что информацию о цвете света можно будет использовать даже в смартфонах или носимых устройствах.
Технология реконструкции спектрометров на основе двойных неупорядоченных метаповерхностей
Профессор Мусок Джанг и его исследовательская группа из Департамента биоинженерии и инженерии мозга разработали технологию спектрометров на основе реконструкции с использованием двойных слоёв неупорядоченных метаповерхностей. Работа опубликована в журнале Science Advances.
Преодоление ограничений традиционных дисперсионных элементов
Существующие спектрометры высокого разрешения имеют большой форм-фактор, порядка десятков сантиметров, и требуют сложных процессов калибровки для поддержания точности. Это обусловлено принципом работы традиционных дисперсионных элементов, таких как решётки и призмы, которые разделяют длины волн света в направлении его распространения, подобно тому как радуга разделяет цвета.
Новый подход к спектроскопии
Исследовательская группа разработала метод, который отличается от традиционного подхода к спектроскопии с использованием дифракционных решёток или призм, устанавливающих однозначное соответствие между информацией о цвете света и направлением его распространения. Для этого были использованы специально разработанные неупорядоченные структуры в качестве оптических компонентов.
Результаты исследования
В результате была успешно разработана новая концепция спектрометрической технологии, 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 одно изображение.
Донг-гу Ли, ведущий автор исследования, заявил: «Эта технология реализована таким образом, что она напрямую интегрирована с коммерческими датчиками изображения, 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 Джанг 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 применения».
Перспективы применения технологии
Ожидается, что эта технология найдёт применение в различных областях, таких как анализ пищевых компонентов, диагностика состояния сельскохозяйственных культур, измерение состояния кожи, обнаружение загрязнения окружающей среды и био/медицинская диагностика.
Кроме того, её можно будет использовать в различных передовых оптических технологиях, таких как гиперспектральная визуализация, которая одновременно записывает информацию о длине волны и пространственных данных с высоким разрешением, трёхмерная оптическая захват технология, которая точно управляет светом нескольких длин волн в желаемых формах, и сверхбыстрая технология визуализации, которая фиксирует явления, происходящие в очень короткие промежутки времени.
Это исследование проводилось под руководством Донг-гу Ли (кандидата наук) и Гукхо Сонга (кандидата наук) из Департамента биоинженерии и инженерии мозга KAIST в качестве соавторов первой статьи, при этом профессор Мусок Джанг выступил в качестве ответственного автора.
Предоставлено Корейским передовым институтом науки и технологий (KAIST).
optical devices that analyze material properties by decomposing light into its constituent wavelengths, and they are widely used in various scientific and industrial fields, including material analysis, chemical component detection, and life science research.”,”Existing high-resolution spectrometers were large and complex, making them difficult for widespread daily use. However, thanks to the ultra-compact, high-resolution spectrometer developed by KAIST researchers, it is now expected that light’s color information can be utilized even within smartphones or wearable devices.”,”Professor Mooseok Jang’s research team at the Department of Bio and Brain Engineering has successfully developed a reconstruction-based spectrometer technology using double-layer disordered metasurfaces. The work is published in Science Advances.”,”Existing high-resolution spectrometers have a large form factor, on the order of tens of centimeters, and require complex calibration processes to maintain accuracy. This fundamentally stems from the operating principle of traditional dispersive elements, such as gratings and prisms, which separate light wavelengths along the propagation direction, much like a rainbow separates colors.”,”Consequently, despite the potential for light’s color information to be widely useful in daily life, spectroscopic technology has been limited to laboratory or industrial manufacturing environments.”,”The research team devised a method that departs from the conventional spectroscopic paradigm of using diffraction gratings or prisms, which establish a one-to-one correspondence between light’s color information and its propagation direction, by utilizing designed disordered structures as optical components.”,”In this process, they employed metasurfaces, which can freely control the light propagation process using structures tens to hundreds of nanometers in size, to accurately implement \”complex random patterns (speckle)\”.”,”Specifically, they developed a method that involves implementing a double-layer disordered metasurface to generate wavelength-specific speckle patterns and then reconstructing precise color information (wavelength) of the light from the random patterns measured by a camera.”,”As a result, they successfully developed a new concept spectrometer technology that can accurately measure light across a broad range of visible to infrared (440–1,300 nm) with a high resolution of 1 nanometer (nm) in a device smaller than a fingernail (less than 1 cm) using only a single image capture.”,”Dong-gu Lee, a lead author of this study, stated, \”This technology is implemented in a way that is directly integrated with commercial image sensors, and we expect that it will enable easy acquisition and utilization of light’s wavelength information in daily life when built into mobile devices in the future.\””,”Professor Mooseok Jang said, \”This technology overcomes the limitations of existing RGB three-color-based machine vision fields, which only distinguish and recognize three color components (red, green, blue), and has diverse applications.”,”\”We anticipate various applied research for this technology, which expands the horizon of laboratory-level technology to daily-level machine vision technology for applications such as food component analysis, crop health diagnosis, skin health measurement, environmental pollution detection, and bio/medical diagnostics.”,”\”Furthermore, it can be extended to various advanced optical technologies such as hyperspectral imaging, which records wavelength and spatial information simultaneously with high resolution, 3D optical trapping technology, which precisely controls light of multiple wavelengths into desired forms, and ultrafast imaging technology, which captures phenomena occurring in very short periods.\””,”This research was collaboratively led by Dong-gu Lee (Ph.D. candidate) and Gookho Song (Ph.D. candidate) from the KAIST Department of Bio and Brain Engineering as co-first authors, with Professor Mooseok Jang as the corresponding author.”,”\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tProvided by\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\tThe Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST)\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\n\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t\t”,”\n\t\t\t\t\t\t\tMore from Optics\n\t\t\t\t\t\t “]’>Источник