超構(gòu)表面微型高光譜成像研究的重大進展

2023-06-27

光譜是物質(zhì)的基本屬性之一，被視為物質(zhì)的指紋。光譜成像通過記錄不同空間位置的光譜來捕捉物質(zhì)的空間和光譜信息，不僅可以感知物質(zhì)的客觀存在，還可以了解物質(zhì)的組分。光譜成像技術(shù)已被廣泛用于食品安全、生物醫(yī)學、環(huán)境監(jiān)測和衛(wèi)星遙感等領(lǐng)域。光譜成像系統(tǒng)通常由光譜器件（色散元件或濾色片）和CMOS圖像傳感器組成。由于這些光譜器件的體積和質(zhì)量普遍較大，導(dǎo)致成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大且成像速度較慢。這與實際應(yīng)用中小型化、輕量化和集成化的需求相矛盾。

為解決上述問題，中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所李輝團隊與中科院光電技術(shù)研究所郭迎輝團隊合作，研發(fā)了一種基于超構(gòu)表面的微型高光譜成像器件。研究人員首先提出并驗證了準隨機超級單元構(gòu)成的計算型高光譜超構(gòu)表面設(shè)計方法。準隨機超級單元具有嚴格的對稱性，光譜器件的偏振敏感性較低，因此由準隨機超級單元構(gòu)成的光譜器件可以更好地應(yīng)用于復(fù)雜的工作環(huán)境。而超級單元的周期打破了亞波長尺度的限制，設(shè)計自由度得到顯著提升，極大豐富了單元結(jié)構(gòu)的種類，使選擇的單元結(jié)構(gòu)對應(yīng)的透射光譜滿足了壓縮感知算法的需求，同時也降低了超構(gòu)表面的加工難度，縮減了器件加工的成本和周期。

超構(gòu)表面每個超級單元采用遺傳算法和壓縮感知來實現(xiàn)高光譜重構(gòu)。考慮到重構(gòu)圖像質(zhì)量和空間分辨率，研究人員針對窄帶光譜信號和寬帶光譜信號設(shè)計了兩款不同的高光譜器件（CHDNS和CHDBS）。在窄帶光譜信號入射時，CHDNS的光譜分辨率為6nm，其重構(gòu)的復(fù)雜窄帶光譜的峰值波長誤差為0.05nm，線寬誤差為0.6nm。在寬帶光譜信號輸入時，CHDBS重構(gòu)的高光譜圖像的平均信號保真度高達92%。CHDBS陣列可與CMOS芯片集成，用于單次高光譜成像，有望應(yīng)用于生物制藥、病理分析等方面。這種計算型高光譜器件的設(shè)計為小型化和便攜式高光譜設(shè)備和系統(tǒng)的研發(fā)開辟了新的可能。

相關(guān)研究成果以Computational hyperspectral devices based on quasi-random metasurface supercells為題發(fā)表于《納米尺度》（Nanoscale）。研究工作得到中科院科研儀器設(shè)備研制項目、國家自然科學基金、中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項的資助與支持。