超表面光学如何实现移动设备级别的高光谱成像

超表面光谱成像技术正将高光谱成像从笨重的实验室系统，转变为可扩展的现实世界解决方案。

图1. Tunoptix计算超表面光学系统

传统RGB相机仅捕获三个宽光谱波段，而高光谱成像能获取物质的完整光谱特征，长期以来在各行业展现出巨大潜力。但依赖笨重机械式色散光学的传统系统，使该技术始终难以应用于主流场景。传统系统需配备棱镜、光栅或可调滤波器，要求长光程与精密校准，导致设备体积庞大、结构脆弱且成本高昂。

Tunoptix采用颠覆性方案：通过端到端超表面光学设计，在捕获端直接编码光谱信息（见图1）。此举消除了对笨重色散元件及外部处理的依赖，显著缩小高光谱系统体积并降低成本，从而开拓全新市场与应用场景。

超表面光学架构与设计原理

我们平台的核心是协同设计系统——将半导体光刻工艺制造的纳米结构超表面光学元件，与专有机器学习算法深度融合。这些超透镜与滤波器同步执行多重光学功能，并兼容芯片级集成。

由此构建的模块化多孔径架构，通过三大创新实现高保真高光谱成像：

▸ 工程化超表面：超薄设计在保障高光通量的同时保留空间细节，信噪比较传统系统显著提升，使移动设备级微型模块实现高分辨率成像

▸ 集成光谱滤波：协同设计的超表面滤波器实现全视场光谱甄别，单孔径即可完成多路光谱成像，无需笨重色散元件

▸ 光谱解码：模块经预校准直接输出光谱通道数据，免除捕获后重构步骤。可选软件工具可微调光谱对齐或支持定制化分析

此端到端超表面光学模型将光谱滤波与透镜功能整合至微型硬件平台，在无需增加系统复杂度的前提下实现高效可扩展集成。

我们现有高光谱设计达成400-950nm（可见-近红外波段）光谱分辨率优于20nm，整体体积控制在1立方厘米内，较传统系统缩小千倍以上。

高光谱模块规格

• 成像模式：快照（Snapshot）
• 光谱范围：400至950纳米（可见光至近红外，VNIR）
• 光谱分辨率：小于20纳米
• 每通道分辨率：约720 × 480像素，覆盖30多个通道
• 视场角：对角线大于60°
• 帧率：30帧/秒以上
• 功耗：低于500毫瓦
• 工作温度：-20°C至70°C

制造与可扩展性

我们研发策略的关键之一是确保可扩展且高良率的制造能力。我们的超表面光学元件采用兼容互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺的光刻技术制造，这使得能够通过fabless foundry的模式，实现晶圆级规模化生产（见图2）。这不仅保证了制造的可扩展性和产品质量的一致性，还有效降低了单件成本。

图2：超透镜光学元件的扫描电子显微镜（SEM）图像。图片来源：Tunoptix

后续工序包括自动化的晶圆级测试和CMOS图像传感器的集成，配合严格的工艺控制，以确保光学性能和光谱性能的一致性与稳定性。

现实应用场景

通过大幅缩小高光谱成像模块的体积和成本，我们的技术开启了全新的应用可能：

移动与消费设备。智能手机、可穿戴设备和平板电脑现在可以集成紧凑型高光谱模块，用于食品检测、护肤、个人健康监测以及提升色彩准确度（见图3）。

图3：超表面光谱成像在手机上的应用。图片来源：Tunoptix

医疗与健康。微型模块支持护肤、口腔护理及心肺监测应用，包括基于反射的血氧和水合状态感测。

工业自动化与机器人。在工厂环境中，我们的系统可用于材料分类和质量控制，适合空间受限场所。在机器人和增强现实/虚拟现实（AR/VR）领域，提升机器视觉与环境感知能力。

农业与食品安全。现场部署的摄像设备实时评估作物健康、成熟度和污染情况，助力精准农业和高效食品检验。

国防与安全。Tunoptix模块支持轻量且坚固的边缘计算系统，用于态势感知、有害物质检测及无人平台。

克服技术瓶颈

打造可量产的超表面光学成像系统需解决以下核心难题：

校准与稳定性。采用可调光源和积分球进行自动化流程，映射每个像素的光谱响应，保证光谱的真实性和通道级的准确性，适应复杂的实际光照环境。

环境鲁棒性。设计能抵抗温度波动和湿度变化，维持光学性能稳定。

计算效率。优化系统响应，实现移动端及边缘处理器上的实时光谱输出。

集成支持。提供软件开发工具包（SDK）、参考设计和校准工具，简化原始设备制造商（OEM）集成流程。

战略合作与技术生态

推进超表面光学光谱成像需跨学科专业知识，涵盖光学、纳米制造、计算成像及系统集成。Tunoptix 与学术机构、OEM厂商及制造专家合作，加速创新与规模化生产。

学术基础与科研根基

Tunoptix诞生于华盛顿大学，保持紧密学术联系。联合创始人、超透镜光学与集成光子学专家Arka Majumdar教授担任技术顾问。公司持续支持超透镜设计、先进纳米制造及计算成像的基础研究，并参与联合发表学术论文及大学主导的研究项目。

自主创新与无厂房模式

核心光学设计与系统工程由Alan Zhan主导。通过无厂房（fabless）模式，Tunoptix 与领先的纳米制造代工厂及光机集成商合作，实现快速原型开发与晶圆级规模生产。

OEM及产业合作

通过系统化OEM合作计划，为合作伙伴提供技术路线图早期访问权，支持定制模块开发，涵盖原型制作、非重复工程（NRE）项目及应用定制优化，包括超透镜光学设计、光谱带定位及与商业平台的无缝集成。

发展路线与未来聚焦

我们正基于现有平台扩展能力：

拓展光谱覆盖。计划扩展至短波红外（SWIR），波长覆盖约至2500纳米，实现更深层材料感知，适用于生物医学诊断、塑料回收及农业等领域。

提升分辨率。下一代模块目标达到4K以上的空间分辨率，支持细节丰富且光谱精度要求高的应用。

应用定制设计。为个人健康可穿戴设备、坚固型工业传感器、无人机及机器人嵌入式视觉等领域定制配置。

成本效率。目标实现单模块成本低于50美元，推动消费电子和边缘人工智能系统的广泛应用。

光谱模块探索。除成像外，探索用于反射、吸收及紧凑型拉曼光谱的超表面光学模块，实现便携式化学及分子感测。

展望未来

超表面光学光谱成像代表了一次根本性飞跃，将高光谱成像技术从笨重的实验室系统转变为可规模化应用的现实方案。Tunoptix 实现了性能突破，体积极大缩小，使光谱智能集成进日常设备成为可能。

文章来源：

Alan Zhan,Tunoptix公司的首席技术专家。

关于Tunoptix公司

Tunoptix 是一家光子学公司，凭借其专利的端到端元光学平台，开创了下一代成像和光谱传感系统。通过将纳米工程晶圆级元光学与基于物理原理的算法相结合，我们用可扩展的芯片级解决方案取代了笨重昂贵的光学元件。

更多信息可登录Tunoptix公司官网www.tunoptix.com