新型超構表面成像光譜芯片研究進展

光譜成像具有良好的多維信息獲取能力，廣泛應用在食品安全、醫(yī)學診斷、環(huán)境監(jiān)測、偽裝識別及軍事遙感等領域。傳統(tǒng)光譜成像系統(tǒng)受到分光器件的限制，其存在體積大、成本高和集成度低等問題。基于新型超構表面的成像光譜芯片可為傳感器小型化、低成本提供有效解決方案。隨著光譜分析需求的持續(xù)攀升，加速了超構表面成像光譜芯片的快速發(fā)展。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，長春理工大學物理學院王婷婷、蔡紅星教授領導的團隊在《激光與光電子學進展》期刊上發(fā)表了以“新型超構表面成像光譜芯片研究進展”為主題的文章。本文綜述了近年來超構表面成像光譜芯片研究進展。在此基礎上，介紹了該團隊最新研究成果，通過創(chuàng)新設計成像光譜芯片體系架構，可同時實現(xiàn)高能量利用率、高空間分辨率、高光譜分辨率，為芯片級光譜成像系統(tǒng)的應用打下良好的基礎。最后論述了成像光譜芯片的發(fā)展趨勢及應用前景，為實現(xiàn)光譜成像系統(tǒng)小型化提供參考。

基于超構表面的相位調(diào)控機理

基于廣義斯涅耳定律的超構表面是哈佛大學Capasso等于2011年提出的，作為超材料的二維形式，可在二維平面內(nèi)周期性的排列亞波長單元結構來實現(xiàn)復雜的光場調(diào)控，從而形成平面光學元件，為先進光子器件的集成化與芯片化發(fā)展提供新思路。在基于超構表面的成像光譜芯片設計過程中，需要通過調(diào)控光學自由度實現(xiàn)光譜響應。結構設計的復雜多樣性導致了豐富的光學特性。其中，金屬超構表面中等離激元激發(fā)需要滿足特定的波矢匹配條件，因此通過合理設計單元結構的結構參數(shù)可以改變其相位分布，從而實現(xiàn)光譜曲線的按需調(diào)控。在超構表面近12年的發(fā)展歷程中，逐漸形成了不同的相位調(diào)控機理，包括傳輸相位和幾何相位，文中對這兩種類型的相位調(diào)控機理分別進行了闡述。

基于超構表面的成像光譜芯片

超構表面以其平面化和集成化的巨大優(yōu)勢，克服了傳統(tǒng)分光技術中常用分立元件的尺寸限制，在成像光譜系統(tǒng)中極具吸引力。然而，要想更好地挖掘出基于超構表面成像光譜芯片的更大潛力，需要結合多種不同功能的超構表面，發(fā)揮出超構表面平面化和集成化的優(yōu)勢，還能實現(xiàn)高質(zhì)量的成像性能和成像效果。下面將以分光原理為主線，對基于超構表面成像光譜芯片的研究進行綜述。

色散型成像光譜芯片

色散型成像光譜系統(tǒng)，以棱鏡和光柵最為常見。但在芯片化的設計方案中，波導光柵結構成為大體積棱鏡的完美替代品。隨著微納制造加工技術的快速發(fā)展，形成了一系列的色散解決方案，其中包括陣列波導光柵、刻蝕衍射光柵以及超構表面等。2018年，美國加州理工學院Kavli納米科學研究所Faraon教授，通過引入折疊超構表面光學的概念，設計了一款芯片級的近紅外光譜儀，并發(fā)表于Nat.Commun.期刊。在系統(tǒng)中，色散和聚焦光學元件被放置于一側(cè)玻璃基板上的超構表面代替，在兩側(cè)反射鏡的作用下，使光線在基板內(nèi)部傳輸，縮小了系統(tǒng)的尺寸，實現(xiàn)了1 mm × 1 mm × 7 mm的小體積設計。該光譜儀的分辨率約為1.2 nm，工作譜段覆蓋760 ~ 860 nm?；趫D1（a）的結構設計，通過改進器件的角響應，于2019年設計出一臺線掃式高光譜成像儀，光譜范圍為750 ~ 850 nm，光譜分辨率和角分辨率分別約為1.5 nm和0.075°，如圖1（b）所示。系統(tǒng)總體積為8.5 mm3，該系統(tǒng)具備了片上集成芯片級的分光能力。然而，基于波導光柵的成像光譜芯片，其分辨率依賴于系統(tǒng)所提供的允許光線傳輸?shù)墓獬涕L度如圖1（c）所示。因此，高分辨能力與系統(tǒng)的小型化設計依然存在著相互制約的關系，限制了其在極端小型化的應用。

圖1. 基于折疊超構表面的高光譜成像儀：（a）設計方案；（b）光譜成像系統(tǒng)；（c）光線傳輸及器件制備 窄帶濾波型成像光譜芯片 基于超構表面的窄帶濾波型成像光譜芯片，可以選擇性地傳輸特定波長的光，其光譜分辨率受到光譜通道數(shù)量的限制。其與色散型成像光譜芯片在結構設計和系統(tǒng)集成方面相比更具有優(yōu)勢，規(guī)避了光程長度對分辨率的限制，實現(xiàn)了濾波結構與探測器的集成。2018年，美國普渡大學Kildishev設計了一種基于超構表面的納米腔結構，如圖2（a）所示。該結構借助了法布里-珀羅（FP）干涉原理，如圖2（b）所示。該結構由兩個厚度為15 nm的銀鏡組成FP光學腔，并在腔內(nèi)嵌入了厚度為22 nm，周期為150 nm的銀超構表面光柵，且超構表面與下表面銀鏡被厚度為40 nm的氧化鋁間隔層分開。

由FP干涉原理可知，通過改變腔的厚度和腔內(nèi)介質(zhì)的折射率，可以實現(xiàn)不同波段中心波長的可控調(diào)諧。而在此基礎上，超構表面提供了更多的可調(diào)制自由度，從而能夠?qū)崿F(xiàn)多波段濾波和彩色成像，如圖2（c）所示。同年，瑞士聯(lián)邦理工學院Altug開發(fā)了基于超構表面納米光子的中紅外成像系統(tǒng)，并將其應用于物質(zhì)的化學鑒定和成分分析，如圖3所示。片上設計的電介質(zhì)超構表面結構的每個共振都被調(diào)諧到離散的頻率上，使分子吸收特征可以在多個光譜點被讀出。實現(xiàn)了對生物、聚合物以及殺蟲劑分子的精準監(jiān)測，展示了超構表面在生物傳感和環(huán)境監(jiān)測等領域中的應用潛力。

圖2. 基于嵌入式超構表面的納米腔：（a）結構設計；（b）原理對比；（c）成像效果

圖3. 像素化超構表面 計算重構型成像光譜芯片 計算重構型成像光譜芯片，利用高速的計算技術部分替代物理分光元件的工作負荷，進一步縮小成像系統(tǒng)的體積和重量，這已成為未來片上集成芯片級成像光譜系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢。 2019年，美國威斯康星大學麥迪遜分校Yu等提出了一種基于光子晶體平板的隨機光譜儀。將不同周期、晶格常數(shù)和孔尺寸的光子晶體平板集成在CMOS成像傳感器表面，實現(xiàn)了光譜的探測和成像光譜系統(tǒng)的構建。所設計的6 × 6光子晶體結構的光學圖像，以及3張選定的光子晶體平板結構的電鏡圖像，如圖4（a）所示。該濾波結構的工作光譜范圍為550 ~ 750 nm，光譜分辨率為1 nm。整個濾波器尺寸為210 μm × 210 μm，體積較小，實現(xiàn)了片上集成芯片化的設計。構建的簡易光譜成像系統(tǒng)成功獲取目標的光譜信息，驗證了光子晶體平板濾波器的光譜成像能力，如圖4（b）所示。

圖4. 基于光子晶體平板的計算重構型成像光譜芯片：（a）芯片級光譜儀的示意圖和光學圖像以及濾波結構的透射光譜；（b）高光譜成像的驗證結果及重構數(shù)據(jù)立方體的空間圖 2022年，清華大學Cui等采用超構表面研制出國際上首款實時超光譜成像芯片，相關研究成果發(fā)表在Optica上。通過超構表面實現(xiàn)對入射光在頻譜域的調(diào)制，利用CMOS圖像傳感器完成從頻譜域到電域的映射測量，再利用壓縮感知算法進行光譜的計算重構，并通過超構表面的大規(guī)模陣列集成，最終實現(xiàn)實時光譜成像，如圖5所示。該款實時超光譜成像芯片將單點光譜儀的尺寸縮小到百微米以下，空間分辨率超過15萬光譜像素，可快速獲得每個像素點的光譜，工作譜段為450 ~ 750 nm，光譜分辨率為0.8 nm。該團隊進一步研制出基于自由形狀超原子的超構表面光譜成像芯片，突破了傳統(tǒng)規(guī)則形狀的超構表面設計限制，取得了更優(yōu)異的光譜成像性能，如圖6所示。對窄帶光譜和寬帶光譜分別進行重構，結果表明，該超光譜成像芯片能夠?qū)崿F(xiàn)保真度99%以上的寬譜光計算重構以及0.5 nm的波長分辨率。該項研究進一步提升了超構表面光譜成像芯片的性能，研究成果發(fā)表于Laser & Photonics Reviews，推動了未來光譜成像芯片的發(fā)展及其在實時傳感領域的應用。

圖5. 基于超構表面的超光譜成像芯片

圖6. 基于自由形狀超原子的超表面光譜成像芯片 近年來，長春理工大學研究團隊針對目前成像光譜芯片存在能量利用率低、空間分辨率下降大、成本高、工藝復雜等問題。設計新型的超構表面，基于計算重構光譜學原理，成功研制了成像光譜芯片。將超構表面微納結構與CMOS圖像傳感器相結合，研制了與現(xiàn)有CMOS的光刻生產(chǎn)相兼容的生產(chǎn)工藝，實現(xiàn)了成像光譜芯片的量產(chǎn)。在結構設計階段，通過選取微納結構材料、優(yōu)化微納結構、選擇探測器類型以及設計像素分布方式等研究工作，實現(xiàn)可定制的成像光譜芯片性能參數(shù)。該團隊優(yōu)化設計了I型金屬超構表面結構，如圖7（a）所示，整體具有能量利用率高、空間分辨率高、光譜分辨率高的優(yōu)點，其芯片結構如圖7（b）所示。在工藝制備階段，采用聚焦離子束刻蝕工藝，并引入多層套刻技術，針對每層光譜調(diào)制材料不同的特性，對其掩模特性、刻蝕特性以及玻璃基片表面的附著特性進行工藝設計。最后，在顯微鏡下通過人工操作的方式實現(xiàn)該結構與探測器焦平面的像素級對準貼合，尺寸< 2 cm × 2 cm × 0.5 cm，該結構具有體積小、成本低的優(yōu)點。

圖7. 基于超構表面計算重構技術的成像光譜芯片：（a）I型金屬超構表面結構；（b）芯片結構

該團隊研制了多光譜相機，波段范圍為350 ~ 950 nm，像素尺寸為6 μm × 6 μm，空間分辨率為，其在暗光條件下的成像效果與相同襯底的RGB芯片比較如圖8所示。

圖8. 暗光成像效果比較

總結和展望

以分光技術為主線，介紹了基于不同分光原理的超構表面成像光譜芯片的研究進展。近幾年，超構表面的研究在理論建模和微納制造方面都取得了重大進展。超構表面可在亞波長尺度內(nèi)實現(xiàn)對光場的靈活調(diào)控，且兼具傳統(tǒng)光學元件無法比擬的平面化和低損耗的優(yōu)點，超構表面為解決成像光譜系統(tǒng)的集成化、芯片化設計提供了有效的技術途徑。盡管現(xiàn)有基于超構表面的成像光譜芯片已在多個領域中發(fā)揮巨大作用，但在芯片級的成像光譜系統(tǒng)中，同時實現(xiàn)系統(tǒng)的高能量利用率、高空間分辨率、高光譜分辨率依然存在著巨大的挑戰(zhàn)。 綜上所述，色散型和窄帶濾波型，實質(zhì)上是按比例縮小傳統(tǒng)的光譜系統(tǒng)，各自存在著局限性。色散型超構表面光譜成像系統(tǒng)具有復雜的光路設計和龐大的元件體積，在片上集成芯片級的結構設計中，可靠性并不高。色散型成像光譜系統(tǒng)的光譜分辨率嚴重依賴光程長度，阻礙其進一步實現(xiàn)小型化。在眾多的芯片化解決方案中，應用較多的是窄帶濾波型技術。窄帶濾波型的光譜分辨率可通過工作帶寬下濾波通道的數(shù)量來衡量。在一定工作帶寬下，濾波通道數(shù)量越多，光譜分辨率越高。

然而，濾波型超構表面光譜成像技術更適用于低光譜分辨率的成像探測系統(tǒng)。獲取單一光譜信息需要一個窄帶濾波結構以形成光譜濾波通道。然而應對高分辨率需求時，成像系統(tǒng)必須使用帶寬更窄和數(shù)量更多的濾波結構，這使得系統(tǒng)難以實現(xiàn)小型化，因此同時獲取高空間分辨率和高光譜分辨率是存在矛盾的。此外，窄帶濾波結構僅能夠接收中心波長的光，增加濾波結構的數(shù)量也會極大地降低系統(tǒng)的光能量利用率，從而導致信噪比降低，成像效果難以滿足實際應用需求。 隨著計算機科學技術的飛速發(fā)展，計算機算法和光學領域的交叉融合得到了深入的探索，光學算法的發(fā)展降低了光譜成像系統(tǒng)對硬件的需求，并使得其成像性能得到了極大的提升。近年來，將超構表面與壓縮感知算法相結合的計算重構型光譜成像探測系統(tǒng)被廣泛研究，該系統(tǒng)利用超構表面的寬帶濾波特性可對光譜信號進行采集。具有不同的寬帶光譜響應特性的濾波結構，可以接收更寬范圍的光譜信號，從而提升光能量利用率，有效提高系統(tǒng)的信噪比。在現(xiàn)有基于超構表面的光譜成像系統(tǒng)中，超構表面的透射光譜響應被用作壓縮感知過程的測量矩陣。

然而，測量矩陣一般為隨機矩陣，因此對超構表面的設計通常采用“大量生產(chǎn)—隨機挑選”的方法，該方法無法保證光譜重構的保真度。此外，寬帶濾波的設計會加寬透射光譜，極易導致波段之間彼此混疊，產(chǎn)生嚴重的圖像串擾，成像色差大，無法滿足實際的應用需求。 因此，在未來超構表面成像光譜芯片的發(fā)展上，將面臨新的考驗，要實現(xiàn)光譜成像系統(tǒng)的小型化、芯片化、集成化、低成本，還要綜合評估芯片級成像光譜系統(tǒng)的性能，使其達到高能量利用率、高空間分辨、高光譜分辨率的性能指標要求，向標準化和通用化方向邁進。未來，超構表面成像光譜芯片將有望真正進入掌上時代，深度融入日常生活，在食品安全、移動健康等方面展現(xiàn)出其獨特的魅力。更有望為尖端裝備裝上“中國芯”，實現(xiàn)裝備的小型化和輕量化。

審核編輯：劉清