La couleur, comme la façon dont la longueur d'onde de la lumière est perçue par l'œil humain, va au-delà d'un simple élément esthétique, contenant des informations scientifiques importantes comme la composition ou l'état d'une substance.
Les spectromètres sont des dispositifs optiques qui analysent les propriétés des matériaux en décomposant la lumière dans ses longueurs d'onde constituantes, et ils sont largement utilisés dans divers domaines scientifiques et industriels, y compris l'analyse des matériaux, la détection des composants chimiques et la recherche en sciences de la vie.
Les spectromètres à haute résolution existants étaient grands et complexes, ce qui les rend difficiles à utiliser quotidiennement. Cependant, grâce au spectromètre ultra-compact et haute résolution développé par des chercheurs kaist, il est maintenant prévu que les informations de couleur de Light peuvent être utilisées même dans les smartphones ou les appareils portables.
L'équipe de recherche du professeur Mooseok Jang au Département de biographie et de génie du cerveau a développé avec succès une technologie de spectromètre basée sur la reconstruction en utilisant des métasurfaces désordonnées à double couche. L'œuvre est publiée dans Avancées scientifiques.
Les spectromètres à haute résolution existants ont un facteur de forme important, de l'ordre des dizaines de centimètres et nécessitent des processus d'étalonnage complexes pour maintenir la précision. Cela découle fondamentalement du principe de fonctionnement des éléments dispersifs traditionnels, tels que les réseaux et les prismes, qui séparent les longueurs d'onde de lumière le long de la direction de propagation, tout comme un arc-en-ciel sépare les couleurs.
Par conséquent, malgré le potentiel que les informations sur les couleurs de Light soient largement utiles dans la vie quotidienne, la technologie spectroscopique a été limitée aux environnements de fabrication de laboratoire ou industriels.
L'équipe de recherche a conçu une méthode qui s'écarte du paradigme spectroscopique conventionnel de l'utilisation de réseaux de diffraction ou de prismes, qui établissent une correspondance individuelle entre les informations de couleur de Light et son sens de propagation, en utilisant des structures désordonnées conçues comme des composants optiques.
Dans ce processus, ils ont utilisé des métasurfaces, qui peuvent contrôler librement le processus de propagation de la lumière à l'aide de structures de dizaines à des centaines de nanomètres, pour implémenter avec précision « des modèles aléatoires complexes (Speckle) ».
Plus précisément, ils ont développé une méthode qui implique la mise en œuvre d'une métasurface désordonnée à double couche pour générer des motifs de taches spécifiques à la longueur d'onde, puis de reconstruire des informations de couleur précises (longueur d'onde) de la lumière à partir des motifs aléatoires mesurés par une caméra.
En conséquence, ils ont développé avec succès une nouvelle technologie de spectromètre de concept qui peut mesurer avec précision la lumière à travers une large gamme de visibles pour infrarouges (440–1 300 nm) avec une haute résolution de 1 nanomètre (nm) dans un appareil plus petit qu'un ongle (moins de 1 cm) en utilisant une seule capture d'image.
Dong-Gu Lee, un auteur principal de cette étude, a déclaré: « Cette technologie est mise en œuvre d'une manière directement intégrée aux capteurs d'image commerciaux, et nous nous attendons à ce qu'il permette une acquisition et une utilisation faciles des informations de longueur d'onde de Light dans la vie quotidienne lorsqu'elle est intégrée à des appareils mobiles à l'avenir. »
Le professeur Mooseok Jang a déclaré: « Cette technologie surmonte les limites des champs de vision machine à trois couleurs RVB existants, qui distinguent et ne reconnaissent que trois composants de couleur (rouge, vert, bleu) et possède diverses applications.
« Nous prévoyons diverses recherches appliquées pour cette technologie, qui élargit l'horizon de la technologie au niveau du laboratoire à la technologie de vision machine au niveau quotidien pour des applications telles que l'analyse des composants alimentaires, le diagnostic de santé des cultures, la mesure de la santé de la peau, la détection de la pollution de l'environnement et les diagnostics bio / médicaux.
« En outre, il peut être étendu à diverses technologies optiques avancées telles que l'imagerie hyperspectrale, qui enregistre la longueur d'onde et les informations spatiales simultanément avec une technologie de piégeage optique 3D haute résolution, qui contrôle précisément la lumière de plusieurs longueurs d'onde dans les formes souhaitées et la technologie d'imagerie ultrafast, qui capture le phénomène dans des périodes très courtes. »
Cette recherche a été dirigée en collaboration par Dong-Gu Lee (candidat Ph.D.) et Gookho Song (candidat Ph.D.) du département kaist de l'ingénierie bio et du cerveau en tant qu'auteurs co-prirs, avec le professeur Mooseok Jang en tant qu'auteur correspondant.
