一种人工智能自适应微型光谱仪
图1. 团队的微型光谱仪工作当选了当期《美国科学院院刊》的封面。
光的波长探测在科学研究和工业应用中具有重要作用。传统上，该过程依赖于将分光元件与光机械设备结合使用，这不仅增加了探测系统的复杂性和体积，还大幅提高了成本。近年来，依赖人工智能算法的微型化重构光谱仪打破了香农-内斯特采样极限，在机器视觉、环境监测、生物医药等领域具有广阔的应用前景。
8月13日，复旦大学材料科学系、智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院梅永丰教授课题组在《美国科学院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上发表题为《CMOS工艺兼容、集成自参考法布里-佩罗谐振腔的计算重构光谱仪》(“CMOS-Compatible Reconstructive Spectrometers with Self-Referencing Integrated Fabry-Perot Resonators”)的研究成果。该成果还被选为当期封面文章高亮报道。
团队提出了一种新型微型化重构光谱仪设计，这一设计结合了传统光谱仪和计算重构光谱仪各自的优势，通过集成的自参考窄带滤波通道，使得人工智能算法可以在更高维度的参数空间进行光谱和算法参数的同时搜索(图2A-C)。同时，该光谱仪可以通过成熟的集成电路工艺进行晶圆级制造(图2D)，并具有毫米级尺寸，足以胜任大部分微型化光谱测试需求(图2E)。该光谱仪在整个可见光波段(400-800 nm)表现出准确的光谱重构能力(图2F)，可达到约2.5 nm 的分辨率、约0.27 nm的平均波长偏差、高达5806的分辨力，以及约0.46%的分辨率与带宽比，性能接近商用光纤光谱仪，但成本和体积大幅减少。
图2. 晶圆级制备的自适应微型光谱仪：(A)传统光谱仪工作原理;(B)典型重建型光谱仪工作原理;(C)自适应光谱仪工作原理：算法在比一般重构算法更高维的参数空间中识别全局最小成本函数;(D)微型光谱仪的晶圆级制造(比例尺为1 cm);(E)指尖上的微型光谱仪成品;(F)微型光谱对可见光波段内准单色光的重构效果。
团队进一步演示了该自适应微型光谱仪在结合微流控及机械扫描系统后，在透射、吸收和光致发光光谱测量等常见实验室应用中的表现，其结果与商业化光纤光谱仪基本一致(图3A-F)。此外，团队展示了自适应微型光谱仪在高光谱成像中的应用前景，为进一步发掘该微型光谱仪的CMOS工艺兼容性，将其作为高光谱相机的单个像素的应用打下了基础(图3G-H)。
图3. 微型光谱仪的应用：(A)微型透射-吸收光谱测试示意图;(B-C)对维生素B的(B)透射光谱和(C)吸收光谱重构结果;(D)微型光致发光光谱测试示意图;(E)罗丹明B的光致发光谱重构结果;(F)石墨烯量子点的光致发光谱重构结果;(G)高光谱成像演示示意图;(H)在不同波长下重建的高光谱图像。
由于光谱形貌的多样性以及信号稀疏性假设，以往报道的重构式微型光谱仪通常需要人工校准算法参数，否则待测光谱的还原结果可能会失真。该自适应光谱仪通过集成法布里-佩罗窄带滤波通道，引入了一组在固定波长位置上具有较低分辨率但高度准确的自参考光谱信号，实现了对算法重构信号的引导和校正，从而在无需人工干预的情况下，依然能够提供高分辨率且稳定的光谱探测结果。
综上所述，该研究为实现具有通用性与高鲁棒性的微型重构光谱仪提供了新的思路，有望借助成熟的CMOS集成电路工艺，推动微型光谱探测系统融入CIS图像模组，从而优先应用于移动便携式测量、车载机器视觉和分布式监测系统等领域。
尤淳瑜博士为第一作者，梅永丰教授为通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委等项目的资助和支持，部分实验在复旦大学微纳加工与器件公共实验室开展。
审核编辑 黄宇
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