Ultra

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 2732 (2022) Citer cet article

9564 Accès

26 citations

1 Altmétrique

Détails des métriques

L'imagerie idéale, constamment recherchée, nécessite la collecte de toutes sortes d'informations optiques sur les objets visibles, telles que des informations spatiales tridimensionnelles (3D), y compris la distribution planaire et la profondeur, et les couleurs, c'est-à-dire des informations spectrales (1D). ). Bien que l’imagerie spatiale tridimensionnelle et l’imagerie spectrale aient évolué individuellement rapidement, leur combinaison simple constitue un système encombrant, entravant gravement les applications pratiques de l’imagerie quadridimensionnelle (4D). Ici, nous démontrons l’imagerie spectrale ultra-compacte en champ lumineux (SLIM) en utilisant un réseau de métaux à dispersion transversale et un capteur d’imagerie monochrome. Avec un seul instantané, le SLIM présente une imagerie avancée avec une résolution spectrale de 4 nm et une résolution spatiale proche de la limite de diffraction. Par conséquent, les objets et les matériaux visuellement indiscernables peuvent être discriminés grâce à SLIM, ce qui favorise des progrès significatifs vers une imagerie plénoptique idéale.

L’imagerie optique est une technologie importante largement utilisée pour collecter des informations spatiales sur des objets, depuis les montagnes et bâtiments géants jusqu’aux cellules microscopiques et même aux molécules. Pour remédier à l'insuffisance de la résolution en profondeur de l'imagerie planaire, diverses techniques d'imagerie tridimensionnelles (3D), telles que l'imagerie en champ lumineux1,2, la vision stéréo3, l'éclairage par lumière structurée4 et les méthodes de temps de vol5 avec des sources lumineuses supplémentaires, ont été utilisé pour obtenir efficacement les informations spatiales 3D de la scène ou des objets capturés. De plus, l'imagerie couleur basée sur la théorie des trois couleurs primaires de Maxwell introduit une nouvelle dimension, à savoir la dimension spectrale, à l'imagerie monochrome traditionnelle, qui intègre simplement tous les spectres en une seule intensité. Bien que les mécanismes tricolores (rouge, vert, bleu) soient largement utilisés dans les produits d'imagerie et d'affichage de base, la demande d'informations spectrales complètes devient de plus en plus urgente dans divers scénarios d'application tels que la discrimination des matériaux, l'inspection industrielle et la reconnaissance du métamérisme. Par conséquent, l’intégration de l’imagerie et de la spectroscopie traditionnelles est devenue une tendance inévitable de l’évolution de l’imagerie optique. Au cours de la dernière décennie, de nombreuses techniques d'imagerie spectrale efficaces combinant l'imagerie planaire traditionnelle ont été développées, par exemple l'imageur spectral à instantané d'ouverture codé (CASSI)6, le spectromètre d'imagerie tomodensitométrique (CTIS)7 et le spectromètre d'imagerie à modulation de masque à prisme (PMIS)8. . Malgré leurs performances impressionnantes et leur capacité de prise de vue, toutes sortes d'éléments optiques intégrés dans les caméras, tels que les prismes, les lentilles, les réseaux et les masques, sont extrêmement encombrants, ce qui empêche gravement une utilisation plus large des caméras. En revanche, une technique d’imagerie avancée capable d’acquérir des informations quadridimensionnelles (informations 4D : informations spatiales 3D plus informations spectrales 1D) avec une taille ultra-compacte et des performances de haute qualité n’a pas encore été démontrée.

Récemment, les métasurfaces ont été recherchées pour leur compacité, ce qui en fait des alternatives prometteuses aux dispositifs optiques encombrants, lourds et compliqués9,10. Une métasurface constituée d'arrangements denses de nano-antennes pourrait contrôler avec précision la phase, l'intensité, la polarisation, le moment cinétique orbital et la fréquence de la lumière incidente9,10,11,12,13. À ce jour, parmi tous les dispositifs photoniques planaires basés sur des métasurfaces, le metalens est le plus fondamental et le plus important14,15. En adaptant les nano-antennes, les lentilles métalliques ultrafines ont montré des performances équivalentes, voire meilleures, en termes d'efficacité16, d'ouverture numérique (NA)17, d'achromatisme à large bande18,19, d'annulation de coma20, etc. Très récemment, le champ lumineux basé sur les réseaux de métalens Il a également été démontré que l’imagerie permet d’obtenir des informations 3D dans le régime visible sans aucune aberration chromatique21. Des travaux pionniers ont également utilisé des métasurfaces ou d'autres nanostructures pour obtenir des spectres de haute qualité dans des configurations compactes22,23,24,25. Néanmoins, bien que ces progrès constituent une bonne base pour l’acquisition d’informations spectrales, l’imagerie 4D en est encore loin en raison de la difficulté d’obtenir simultanément des spectres de haute qualité et une résolution spatiale 3D. Dans ce travail, en tirant parti de réseaux de métaux à dispersion transversale, nous démontrons une imagerie spectrale de champ lumineux ultra-compacte (SLIM) pour enregistrer des informations 4D via un seul instantané à l'aide d'un capteur monochrome.