針尖大小的光譜儀感測器，可裝在手機攝像頭裡，那就太方便了！

想像一下，把智能手機指向你在食品櫃後面發現的一種咸零食，然後立刻知道它的成分是否變質了。一種叫做光譜儀的設備可以根據一種獨特吸收和發射光的「指紋」來檢測危險化學物質。但這些分光儀器長期以來體積龐大、價格昂貴，無法在實驗室之外使用。直到現在，威斯康辛-麥迪遜大學的工程師們已經開發出一種光譜儀，這種光譜儀非常小而且簡單，它可以在不犧牲精確度的前提下與典型手機的攝像頭集成。

博科園：製造該設備的電氣工程師團隊成員之一朱旺(音譯)說：這是一個緊湊的單鏡頭光譜儀，具有高解析度和低製造成本。其研究成功發表在《自然通訊》(Nature Communications上。設備還具有一種稱為高光譜成像的先進功能，它可以收集圖像中每個像素的信息，以便在複雜的背景下識別材料或探測特定物體。例如，高光譜感測可以用來探測岩石表面中有價值礦物的礦層，或在植被高度密集的地區識別特定植物。每一種元素的光譜指紋都包含獨特光發射或吸收波長。而光譜儀感知光的能力使研究人員能夠做任何事情，從分析未知化合物的組成到揭示遙遠恆星的組成。

新的小型和低成本設備可以幫助把普通手機變成先進的分析工具。圖片：Zongfu Yu

光譜儀通常依靠稜鏡或光柵將物體發出的光分裂成不同波段——每一波段對應不同波長。相機的光電探測器可以捕捉並分析這些波段；例如，鈉元素光譜指紋由兩個波長分別為589和590納米的波段組成。人眼看到590納米波長的光呈橙黃色。較短的波長對應藍色和紫色，而較長的波長呈現紅色。陽光包含了一道完整的彩虹，我們看到它是白色的。為了解決不同顏色混合光之間的差異，光譜儀通常必須相對較大，光的傳播和分離需要較長的路徑長度。然而，研究小組製造了微型光譜儀，每邊只有200微米(大約是圓珠筆尖面積的二十分之一)

足夠精密，可以直接放在典型數碼相機的感測器上。這種小尺寸是可能的，因為研究人員將設備基於特殊設計的材料，這種材料能迫使入射光在到達感測器之前來回反射幾次。這些內部反射延長了光在不增加體積的情況下傳播路徑，提高了設備的解析度。這些設備還進行了高光譜成像，從疊加投影快照中分辨出兩幅不同的圖像(數字5和9)，疊加投影將這兩幅圖像組合成肉眼無法分辨的東西。現在，研究小組希望提高該設備的光譜解析度，以及它捕捉到圖像的清晰度和清晰度，這些改進可能為進一步增強感測器鋪平道路。

博科園-科學科普｜研究/來自: 威斯康星大學麥迪遜分校/Sam Million-Weaver

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-08994-5

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