多光譜成像的發(fā)展推動了環(huán)境監(jiān)測、天文學(xué)、農(nóng)業(yè)科學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、醫(yī)療診斷和食品質(zhì)量控制等諸多領(lǐng)域的重大進(jìn)步。傳統(tǒng)的彩色相機(jī)是最常用且基礎(chǔ)的光譜成像設(shè)備，它通過紅（R）、綠（G）和藍(lán)（B）三個顏色通道收集信息。

傳統(tǒng)RGB彩色相機(jī)依賴于空間周期排列的濾光片陣列。該陣列由2x2個像素組成，每個子像素包含一個特定顏色的濾光片，在選擇性傳輸紅、綠、藍(lán)某一顏色信息的同時阻擋其他通道的傳輸。盡管它在各種成像應(yīng)用中被廣泛使用，但由于其效率低、光譜串?dāng)_嚴(yán)重和色彩呈現(xiàn)質(zhì)量較差等缺點，通過增加濾光片數(shù)量來獲取更多的光譜信息的方法難以取得較好的效果。

近日，加州大學(xué)洛杉磯分校Aydogan Ozcan團(tuán)隊利用深度學(xué)習(xí)設(shè)計了一種衍射式多光譜成像網(wǎng)絡(luò)，用于構(gòu)建光譜濾波器陣列。該衍射成像網(wǎng)絡(luò)共包含有16個獨立的光譜通帶，由通過空間表面工程加工制造的緊密排布的無源衍射板構(gòu)成。該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)緊湊，軸向距離約50-100個波長?；诖颂攸c，這種薄光學(xué)元件可以將現(xiàn)有的圖像傳感器和焦平面陣列轉(zhuǎn)換成多光譜成像系統(tǒng)，并在顯微成像、光譜學(xué)和遙感等方面得到應(yīng)用。

圖1： 基于衍射光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的多光譜成像儀，實現(xiàn)高質(zhì)量的成像性能和光譜信號對比度。該衍射式多光譜相機(jī)可以將單色圖像傳感器轉(zhuǎn)換為快照式多光譜成像設(shè)備，而不需要傳統(tǒng)的濾光片或數(shù)字重建算法。

該文章發(fā)表在Light: Science & Applications，題為“Snapshot multispectral imaging using a diffractive optical network”, Deniz Mengu為本文的第一作者，Aydogan Ozcan為本文的通訊作者。這項研究由加州大學(xué)洛杉磯分校校長教授和Volgenau工程創(chuàng)新主席、霍華德-休斯醫(yī)學(xué)研究所的HHMI教授Aydogan Ozcan博士領(lǐng)導(dǎo)。這項工作的其他作者包括Deniz Mengu、Anika Tabassum和Mona Jarrahi教授，均來自加州大學(xué)洛杉磯分校的電子和計算機(jī)工程系。Ozcan教授還在加州大學(xué)洛杉磯分校生物工程和外科系任教，并擔(dān)任加州納米系統(tǒng)研究所（CNSI）的副主任。

這種基于衍射網(wǎng)絡(luò)的多光譜成像儀通過深度學(xué)習(xí)進(jìn)行優(yōu)化，將不同光譜通道分布在輸出圖像平面上的不同像素上。作為一個虛擬的光譜濾波器陣列，它在保留輸入場景或物體的空間信息的同時，可以即時生成物體二維空間和光譜信息，而無需圖像重建算法。因此，這種衍射式多光譜成像網(wǎng)絡(luò)可以將單色圖像傳感器虛擬轉(zhuǎn)換成快照式多光譜成像設(shè)備，而不需要傳統(tǒng)的濾光片或數(shù)字算法。

文章報道了基于衍射光學(xué)網(wǎng)絡(luò)的多光譜成像儀可同時提供優(yōu)秀的空間成像性能和光譜信號對比度。研究表明，該多光譜成像儀在不對系統(tǒng)空間成像性能和光譜信號對比度造成重大影響的情況下，可實現(xiàn)不同波段~79%的平均傳輸效率。

| 論文信息 |

Mengu, D., Tabassum, A., Jarrahi, M. et al. Snapshot multispectral imaging using a diffractive optical network. Light Sci Appl 12, 86 (2023). 

https://doi.org/10.1038/s41377-023-01135-0

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