“实验室级技术装进智能手机” KAIST开发超小型高分辨率光谱仪

by Jeong Ilwoong

Published 13 Jun.2025 08:12(KST)

KAIST于13日表示，生物及脑工学系Jang Mooseok教授研究团队成功开发出利用双层无序超表面（由两层无序纳米结构层构成、可将光复杂散射，从而按波长产生独特且可预测散斑图样的光学元件）的基于复原的光谱仪技术。

（自左起）Professor Jang Museok、博士研究生 Lee Donggu、博士研究生 Song Gukho。KAIST提供

光谱仪是一种将光按波长分解以分析物性的重要光学设备，广泛应用于材料分析、化学成分检测、生命科学研究等科学和工业领域。

但以往的高分辨率光谱仪体积庞大且结构复杂，在日常使用方面存在诸多限制。这种限制从根本上源于传统色散元件的工作原理——类似彩虹分色，将光的波长沿光传播方向进行分离。

因此，光谱技术迄今主要应用于实验室或工业制造现场，在日常生活中的利用度一直有限。

不过，研究团队开发的超小型高分辨率光谱仪有望今后被搭载于智能手机和可穿戴设备中，从而在日常生活中也能利用光的色彩信息。

研究团队跳出了利用衍射光栅或棱镜，将光的色彩信息与光的传播方向一一对应的传统光谱范式，构思出一种将经过设计的无序结构作为光学元件加以利用的新方法。

同时，为了精确实现“复杂的随机图样（由多个光波前相互干涉而形成、亮度分布不规则的光学图样，即‘散斑’）”，团队利用尺寸为数十至数百纳米的结构体，构建出能够自由调控光传播过程的超表面。

通过实现双层无序超表面，以对波长高度敏感的方式生成散斑图样，并基于相机测得的随机图样，完成了对光的精细色彩信息（波长）的复原过程。

研究团队表示，由此仅凭一帧拍摄图像，就能利用比指甲还小（不足1厘米）的器件，精确测量分辨率达1纳米、覆盖可见光至红外光（440～1300纳米）宽波段的新概念光谱仪技术成为可能。

作为第一作者参与研究的研究员Lee Donggu表示：“此次技术采用与商用图像传感器直接集成的方式实现，今后有望以内置于移动设备的形态，使人们在日常生活中也能轻松获取并利用光的波长信息。”

Jang Mooseok教授表示：“本研究团队开发的技术突破了传统RGB三色基础机器视觉领域的局限，该领域仅能按R（红）、G（绿）、B（蓝）三种色彩成分进行区分与识别。这项技术在食品成分分析、农作物状态诊断、皮肤健康测量、环境污染探测以及生物与医疗诊断等方面，将原本处于实验室层级的技术拓展为日常层级的机器视觉技术，具有重要意义。”

另一方面，本研究在三星未来技术培育项目，以及由科学技术信息通信部韩国研究财团主管的优秀新进研究者项目、先导研究中心支援项目、生物与医疗技术开发项目的资助下完成。