一種基于全電介質(zhì)緊湊薄膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算重構(gòu)微型光譜儀

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，國(guó)科大杭州高等研究院物理與光電工程學(xué)院邵建達(dá)教授工作室和浙江大學(xué)光電學(xué)院沈偉東教授課題組聯(lián)合提出一種基于全電介質(zhì)緊湊薄膜結(jié)構(gòu)的計(jì)算重構(gòu)微型光譜儀。相關(guān)成果以“Deep Learning-Based Miniaturized All-Dielectric Ultracompact Film Spectrometer”為題發(fā)表于中科院一區(qū)期刊ACS Photonics期刊。

近年來(lái)，隨著光譜分析的應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大，對(duì)光譜儀較小物理尺寸、較低成本需求優(yōu)先于高性能，光譜儀向微型化、集成化和低成本等方面高速發(fā)展。計(jì)算重構(gòu)型微型光譜儀常依靠具有寬帶光譜響應(yīng)的陣列濾光片及探測(cè)器實(shí)現(xiàn)光譜編碼，依靠壓縮感知、深度學(xué)習(xí)等算法實(shí)現(xiàn)光譜重構(gòu)。

本研究工作中，陣列濾光片采用緊湊薄膜結(jié)構(gòu)，通過(guò)改變單一介質(zhì)膜層厚度，實(shí)現(xiàn)特異性高的寬帶光譜響應(yīng)。單點(diǎn)光譜重構(gòu)僅需16個(gè)區(qū)塊，數(shù)量在同類方案中數(shù)量最少，尺寸為毫米級(jí)的陣列濾光片（單個(gè)區(qū)塊約2mm × 3mm）采用電子束蒸發(fā)的方法進(jìn)行制備。

光譜重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)基于深度學(xué)習(xí)，輸入神經(jīng)元數(shù)量對(duì)應(yīng)區(qū)塊數(shù)，輸出神經(jīng)元數(shù)量數(shù)量對(duì)應(yīng)光譜通道數(shù)，含有若干隱層，各層神經(jīng)元以全連接的方式連接，可實(shí)現(xiàn)高速、高精度光譜重構(gòu)。應(yīng)用于光譜成像時(shí)，得益于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，光譜成像所耗時(shí)間不與圖像空間分辨率成正比，相比于基于壓縮感知的光譜重構(gòu)算法，速度大幅提升（對(duì)15萬(wàn)像素圖像的光譜成像時(shí)間只需0.6s）。

圖1 (a) 基于緊湊薄膜結(jié)構(gòu)的微型光譜儀外觀；(b) 基于簡(jiǎn)單薄膜結(jié)構(gòu)的陣列濾光片結(jié)構(gòu)示意圖；(c) 基于深度學(xué)習(xí)的光譜重構(gòu)算法。

所提出的微型光譜儀可實(shí)現(xiàn)對(duì)可見(jiàn)光波段（400 - 700nm）樣品絕對(duì)透射率/反射率的高精度重構(gòu)，亦可在相同波段實(shí)現(xiàn)約2nm的單峰光譜分辨率和5nm的雙峰光譜分辨率。此外，本研究還對(duì)標(biāo)準(zhǔn)色卡進(jìn)行了光譜成像，各區(qū)域的重構(gòu)光譜與參考光譜高度吻合。

圖2 (a,b) 本研究提出的微型光譜儀可實(shí)現(xiàn) (a) 約2nm的單峰光譜分辨率及 (b) 約5nm的雙峰光譜分辨率；(c) 對(duì)濾光片的絕對(duì)透過(guò)率的光譜重構(gòu)結(jié)果；(d) 對(duì)標(biāo)準(zhǔn)比色卡的光譜成像結(jié)果及藍(lán)、綠、紅三個(gè)色塊的光譜重構(gòu)結(jié)果。

該論文第一作者為國(guó)科大杭高院2022級(jí)博士研究生溫俊仁，通訊作者為國(guó)科大杭高院楊陳楹副研究員和浙江大學(xué)沈偉東教授，共同作者包括杭高院雙聘教授邵宇川研究員，浙江大學(xué)章岳光副教授，杭高院碩士生郝凌云和高程等。

目前，該團(tuán)隊(duì)積極探索科研成果轉(zhuǎn)化，采用了微米級(jí)紫外光刻技術(shù)與納米級(jí)薄膜沉積技術(shù)相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了百微米級(jí)濾光片陣列以及毫米級(jí)（約2mm × 2mm）微型光譜傳感模組。未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步研發(fā)超光譜成像模組及全光譜成像芯片，有望在于天文探測(cè)、人工智能、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

審核編輯：劉清