本文由论文作者团队投稿
光谱仪可测量物质吸收或发射光波中的波长成分及强度信息，从而对其成分及结构进行分析，在科学研究及工业生产领域获得了广泛的应用。
在生命健康等领域，通过光谱特征峰的测量可以实现对人体血压、血糖、皮肤水含量的监测，对食物中水、蛋白质及碳水化合物含量的检测，以及假药的鉴别。在这些应用中，相比于极限的分辨率与光谱测量范围，人们更关注光谱测量的便携性及实时性，因此对于更小的体积，更高的集成性，更低的功耗与更低的成本提出了更多的需求。传统光谱仪虽然能够同时保证高的光谱分辨率与光谱测量范围，但由于难以做到分光元件、探测器、扫描器件尺寸的小型化及分光距离的缩小，限制了其在这些场景中的应用。
微型化光谱仪的研究始于上世纪九十年代，其基本形态包含光谱分光元件及光学探测元件。其中，大部分的微型化光谱仪使用与传统光谱仪相同的原理及架构，研究的重点放在如何减小各部件的体积及分光距离上，但过小的元件体积会导致分光效果的减弱，反过来又会制约光谱的测量能力，基于传统光学架构的微型化光谱仪发展似乎走向了一个“死胡同“。
随着计算光学的发展，传统光学在各领域的限制正在被逐步打破。近日，北京大学施可彬教授团队与澳大利亚RMIT贾宝华教授团队合作，将计算光谱与基于迂回相位(detour phase)原理的平面微透镜结合，提出了一种光谱测量方法，在百微米量级的光学尺寸上，实现了覆盖整个可见光波段的光谱测量。
研究成果以“Ultracompact computational spectroscopy with a detour-phased planar lens”为题发表在Light: Advanced Manufacturing。北京大学博士生杨文凯为论文第一作者，北京大学刘立格特聘副研究员与施可彬教授为论文通讯作者，RMIT贾宝华教授与林瀚博士等为论文共同作者。
图1：基于detour phase平面微透镜的计算光谱重构原理
计算光学突破了传统方法中光谱测量对于分光能力的依赖，将不同波长的光谱成分与其在另一维度中的特异性“指纹”进行映射并编码，从而通过探测这些“指纹”信息实现光谱的重构。研究人员将光谱信息与透镜后沿光轴的强度分布信息建立“光谱-空间映射”关系，利用“光谱-空间”映射关系，可以定量解算所有波长成分对同一空间位置处光强的贡献。通过光强分布的探测并反向代入“光谱-空间映射”关系，便能像拨云见日般将复杂的强度叠加关系抽丝剥茧，最终实现光谱信息的重构。利用detour phase原理可以在透镜表面灵活地设计相位分布，实现无球差的轴上聚焦强度分布，使得光轴上不同距离处的光强分布只与波长大小相关，为光谱重构提供了可靠的保障，也实现了将整个系统的光学部分长宽高的尺寸限制在百微米量级。
图2：基于detour phase原理设计与加工的平面微透镜
研究人员使用超连续谱光源对这一光谱测量方法进行了演示，实现了测量范围覆盖可见光波段（420 nm - 750 nm）的宽带光谱重构。
图3：光谱重构结果
文章提出的紧凑型计算微型光谱仪可以方便地集成到便携式、手持式和可穿戴设备，如手机中，为日常生命健康指标（如血糖，血压等）、食品质量和假药、假钞辨别提供实时，便携的监测和检测。
论文信息
https://doi.org/10.37188/lam.2024.044
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