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超構表面微型高光譜成像研究的重大進展

2023-06-27

光譜是物質的基本屬性之一，被視為物質的指紋。光譜成像通過記錄不同空間位置的光譜來捕捉物質的空間和光譜信息，不僅可以感知物質的客觀存在，還可以了解物質的組分。光譜成像技術已被廣泛用于食品安全、生物醫學、環境監測和衛星遙感等領域。光譜成像系統通常由光譜器件（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量普遍較大，導致成像系統的結構復雜、體積龐大且成像速度較慢。這與實際應用中小型化、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學工程技術研究所李輝團隊與中科院光電技術研究所郭迎輝團隊合作，研發了一種基于超構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成的計算型高光譜超構表面設計方法。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成的光譜器件可以更好地應用于復雜的工作環境。而超級單元的周期打破了亞波長尺度的限制，設計自由度得到顯著提升，極大豐富了單元結構的種類，使選擇的單元結構對應的透射光譜滿足了壓縮感知算法的需求，同時也降低了超構表面的加工難度，縮減了器件加工的成本和周期。

超構表面每個超級單元采用遺傳算法和壓縮感知來實現高光譜重構。考慮到重構圖像質量和空間分辨率，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，其重構的復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計為小型化和便攜式高光譜設備和系統的研發開辟了新的可能。

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