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Nature Communications volume 13, numero articolo: 2732 (2022) Citare questo articolo

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L'immagine ideale, costantemente perseguita, richiede la raccolta di tutti i tipi di informazioni ottiche sugli oggetti in vista, come le informazioni spaziali tridimensionali (3D) inclusa la distribuzione planare e la profondità, e i colori, cioè le informazioni spettrali (1D ). Sebbene l’imaging spaziale tridimensionale e l’imaging spettrale si siano evoluti rapidamente individualmente, la loro semplice combinazione è un sistema ingombrante, che ostacola gravemente le applicazioni pratiche dell’imaging quadridimensionale (4D). Qui, dimostriamo l'imaging spettrale ultracompatto del campo luminoso (SLIM) utilizzando una matrice di metalli trasversalmente dispersivi e un sensore di imaging monocromatico. Con una sola istantanea, SLIM presenta immagini avanzate con una risoluzione spettrale di 4 nm e una risoluzione spaziale prossima al limite di diffrazione. Di conseguenza, oggetti e materiali visivamente indistinguibili possono essere discriminati attraverso SLIM, che promuove progressi significativi verso l'imaging plettico ideale.

L’imaging ottico è un’importante tecnologia ampiamente utilizzata per raccogliere informazioni spaziali di oggetti, da montagne ed edifici giganti a cellule microscopiche e persino molecole. Per risolvere l'insufficienza della risoluzione della profondità dell'imaging planare, sono state sviluppate varie tecniche di imaging tridimensionale (3D), come l'imaging del campo luminoso1,2, la visione stereoscopica3, l'illuminazione a luce strutturata4 e i metodi del tempo di volo5 con sorgenti luminose aggiuntive. impiegato per ottenere in modo efficace le informazioni spaziali 3D della scena o degli oggetti catturati. Inoltre, l'imaging a colori basato sulla teoria dei tre colori primari di Maxwell introduce una nuova dimensione, ovvero la dimensione spettrale, all'imaging monocromatico tradizionale, che integra semplicemente tutti gli spettri in un'unica intensità. Sebbene i meccanismi tricolore (rosso, verde, blu) siano ampiamente utilizzati nei prodotti di imaging e visualizzazione delle materie prime, la richiesta di informazioni spettrali complete sta diventando sempre più urgente in vari scenari applicativi come la discriminazione dei materiali, l'ispezione industriale e il riconoscimento del metamerismo. Pertanto, l’integrazione dell’imaging tradizionale e della spettroscopia è diventata una tendenza inevitabile nell’evoluzione dell’imaging ottico. Durante l'ultimo decennio, sono state sviluppate molte tecniche efficienti di imaging spettrale che combinano l'imaging planare tradizionale, ad esempio, l'imager spettrale con istantanea ad apertura codificata (CASSI)6, lo spettrometro per immagini tomografico computerizzato (CTIS)7 e lo spettrometro per immagini a modulazione di maschera prisma (PMIS)8 . Nonostante le loro impressionanti prestazioni e la capacità di scattare istantanee, tutti i tipi di elementi ottici incorporati nelle fotocamere, come prismi, lenti, reticoli e maschere, sono estremamente ingombranti, il che impedisce gravemente una più ampia applicazione delle fotocamere. D'altra parte, non è stata ancora dimostrata una tecnica di imaging avanzata in grado di acquisire informazioni quadridimensionali (informazioni 4D: informazioni spaziali 3D più informazioni spettrali 1D) con dimensioni ultracompatte e prestazioni di alta qualità.

Recentemente, le metasuperfici sono apprezzate per la loro compattezza, il che le rende alternative promettenti ai pesanti e complicati dispositivi ottici sfusi9,10. Una metasuperficie costituita da una fitta disposizione di nano-antenne potrebbe controllare con precisione la fase, l'intensità, la polarizzazione, il momento angolare orbitale e la frequenza della luce incidente9,10,11,12,13. Ad oggi, tra tutti i dispositivi fotonici planari basati sulla metasuperficie, il metalens è il più fondamentale e importante14,15. Adattando le nano-antenne, i metalens ultrasottili hanno mostrato prestazioni equivalenti o addirittura migliori in termini di efficienza16, apertura numerica (NA)17, acromatismo a banda larga18,19, cancellazione del coma20, ecc. Molto recentemente, campo luminoso basato su metalens-array è stato inoltre dimostrato che l'imaging consente di ottenere informazioni 3D nel regime visibile senza alcuna aberrazione cromatica21. Lavori pionieristici hanno utilizzato anche metasuperfici o altre nanostrutture per ottenere spettri di alta qualità in configurazioni compatte22,23,24,25. Tuttavia, sebbene questo progresso costituisca una buona base per l’acquisizione di informazioni spettrali, l’imaging 4D è ancora lontano a causa della difficoltà di ottenere spettri di alta qualità e risoluzione spaziale 3D contemporaneamente. In questo lavoro, sfruttando gli array di metalli a dispersione trasversale, dimostriamo l'imaging spettrale in campo luminoso (SLIM) ultracompatto per registrare informazioni 4D attraverso una singola istantanea utilizzando un sensore monocromatico.