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Nature Communications volume 13, número do artigo: 2732 (2022) Citar este artigo

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A imagem ideal, que é constantemente buscada, requer a coleta de todos os tipos de informações ópticas dos objetos visualizados, como informações espaciais tridimensionais (3D), incluindo a distribuição planar e profundidade, e as cores, ou seja, informações espectrais (1D). ). Embora a imagem espacial tridimensional e a imagem espectral tenham evoluído individualmente rapidamente, sua combinação direta é um sistema complicado, dificultando gravemente as aplicações práticas da imagem quadridimensional (4D). Aqui, demonstramos a imagem espectral de campo de luz ultracompacta (SLIM) usando uma matriz de metalens transversalmente dispersiva e um sensor de imagem monocromático. Com apenas um instantâneo, o SLIM apresenta imagens avançadas com resolução espectral de 4 nm e resolução espacial próxima do limite de difração. Consequentemente, objetos e materiais visualmente indistinguíveis podem ser discriminados através do SLIM, o que promove um progresso significativo em direção à imagem plenóptica ideal.

A imagem óptica é uma tecnologia importante amplamente utilizada para coletar informações espaciais de objetos, desde montanhas e edifícios gigantes até células microscópicas e até moléculas. Para resolver a insuficiência na resolução de profundidade da imagem planar, várias técnicas de imagem tridimensional (3D), como imagem de campo de luz1,2, visão estéreo3, iluminação de luz estruturada4 e métodos de tempo de voo5 com fontes de luz adicionais, foram empregado para obter efetivamente as informações espaciais 3D da cena ou objetos capturados. Além disso, a imagem colorida baseada na teoria das três cores primárias de Maxwell introduz uma nova dimensão, ou seja, a dimensão espectral, à imagem monocromática tradicional, que simplesmente integra todos os espectros em uma única intensidade. Embora os mecanismos tricolores (vermelho, verde, azul) sejam amplamente empregados em produtos de imagem e exibição, a demanda por informações espectrais completas está se tornando cada vez mais urgente em vários cenários de aplicação, como discriminação de materiais, inspeção industrial e reconhecimento de metamerismo. Conseqüentemente, a integração de imagens tradicionais e espectroscopia tornou-se uma tendência inevitável na evolução da imagem óptica. Durante a última década, muitas técnicas eficientes de imagem espectral combinando imagens planares tradicionais foram desenvolvidas, por exemplo, imageador espectral de instantâneo de abertura codificada (CASSI)6, espectrômetro de imagem tomográfica computadorizada (CTIS)7 e espectrômetro de imagem com modulação de máscara de prisma (PMIS)8 . Apesar de seu desempenho impressionante e capacidade de instantâneo, todos os tipos de elementos ópticos incorporados em câmeras, como prismas, lentes, grades e máscaras, são extremamente complicados, o que impede severamente que as câmeras sejam aplicadas de forma mais ampla. Por outro lado, ainda não foi demonstrada uma técnica de imagem avançada que possa adquirir informações quadridimensionais (informações 4D: informações espaciais 3D mais informações espectrais 1D) com tamanho ultracompacto e desempenho de alta qualidade.

Recentemente, as metassuperfícies têm sido desejadas por sua compactação, o que as torna alternativas promissoras aos pesados ​​e complicados dispositivos ópticos em massa . Uma metassuperfície consistindo em arranjos densos de nanoantenas poderia controlar com precisão a fase, intensidade, polarização, momento angular orbital e frequência da luz incidente . Até o momento, entre todos os dispositivos fotônicos planares baseados em metassuperfícies, o metalens é o mais fundamental e proeminente . Ao adaptar as nanoantenas, as metalenses ultrafinas mostraram desempenhos equivalentes ou até melhores em termos de eficiência16, abertura numérica (NA)17, acromatismo de banda larga18,19, cancelamento de coma20, etc. a imagem também demonstrou obter informações 3D no regime visível sem qualquer aberração cromática . Trabalhos pioneiros também utilizaram metasuperfícies ou outras nanoestruturas para obter espectros de alta qualidade em configurações compactas . No entanto, embora este progresso seja uma boa base para a aquisição de informação espectral, a imagem 4D ainda está longe devido à dificuldade em obter espectros de alta qualidade e resolução espacial 3D simultaneamente. Neste trabalho, aproveitando matrizes de metalens transversalmente dispersivas, demonstramos imagens espectrais de campo de luz ultracompactas (SLIM) para registrar informações 4D através de um único instantâneo usando um sensor monocromático.