0
  • 聊天消息
  • 系統(tǒng)消息
  • 評論與回復
登錄后你可以
  • 下載海量資料
  • 學習在線課程
  • 觀看技術(shù)視頻
  • 寫文章/發(fā)帖/加入社區(qū)
會員中心
創(chuàng)作中心

完善資料讓更多小伙伴認識你,還能領(lǐng)取20積分哦,立即完善>

3天內(nèi)不再提示

一種基于機器學習算法提高片上光譜傳感性能的方法

MEMS ? 來源:MEMS ? 2023-11-08 09:06 ? 次閱讀

光譜傳感檢測技術(shù)是科學研究和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用的一種光學分析技術(shù),憑借其對物質(zhì)光譜指紋的特異性辨識能力,在生物醫(yī)藥、遙感測繪、環(huán)境監(jiān)測、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域起到了不可替代的作用。隨著現(xiàn)場快檢和輕載荷平臺應用需求的急劇增加,常規(guī)的桌面型光譜儀因為體積大、操作復雜、價格昂貴等問題難以達到技術(shù)要求,迫切需要便攜式、低成本的光譜傳感檢測平臺;而大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展,也有望通過與便攜式光譜檢測技術(shù)融合開啟全新的應用。

近年來各種光譜系統(tǒng)小型化的技術(shù)層出不窮,甚至有芯片級的光譜檢測平臺的報道。這些技術(shù)通過各種先進的光色散結(jié)構(gòu)與數(shù)十或數(shù)百單元的探測器陣列集成獲得片上集成的光譜采樣與解調(diào),展現(xiàn)了極具特色的小型化光譜檢測平臺。目前大多數(shù)研究報道集中在可見光波段(400nm-700 nm)和短波近紅外波段(700nm-1100 nm),這是硅探測器完全覆蓋的波長范圍。長波近紅外(1100nm-2100 nm)乃至中遠紅外波段雖然具有更為豐富的物質(zhì)特征光譜信息,但探測器陣列價格高,技術(shù)復雜,上述方案均面臨著成本快速增加的問題,相關(guān)研究和應用推廣緩慢。另外,基于單管探測器的片上集成調(diào)諧式光譜儀也通常受到調(diào)諧范圍的限制,僅具有較窄的工作波長范圍。因此,迫切需要開發(fā)便攜式、低成本的紅外光譜傳感芯片。

據(jù)麥姆斯咨詢報道,近日,暨南大學陳沁教授和文龍教授團隊針對這一問題,提出了一種基于機器學習算法提高片上光譜傳感性能的方法,實現(xiàn)基于最小3個光譜通道就能獲得準確的混合有機溶劑濃度測定和塑料分揀。相關(guān)結(jié)果以“On-ChipNear-Infrared Spectral Sensing with Minimal Plasmon-Modulated Channels”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊。

研究人員通過在InGaAs探測器陣列上直接集成表面等離子體共振帶通濾波器,并結(jié)合機器學習方法提高光譜傳感精度,進而減少所需光譜通道數(shù),研制出緊湊型近紅外光譜傳感芯片(1100nm-1700 nm,如圖1),在混合有機溶劑濃度測定和塑料分揀等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的光譜傳感功能,提供了一種便攜式、低成本的光譜傳感檢測平臺。

fa20a5f4-7d87-11ee-939d-92fbcf53809c.jpg

圖1近紅外光譜傳感芯片

高性能片上集成帶通濾波器是光譜傳感芯片上實現(xiàn)限域空間高效色散和光譜解調(diào)的核心功能單元。研究團隊首先提出了一種窄線寬和大自由譜寬的帶通濾波器的創(chuàng)新設(shè)計,在薄金屬覆蓋的淺刻蝕金屬光柵結(jié)構(gòu)中獲得了極低損耗的表面等離子體共振,實驗中在1100nm-1700 nm超寬波長范圍內(nèi)獲得窄線寬的單個透射峰(<10 nm),透射峰波長可以通過改變光柵周期連續(xù)調(diào)控,并且該濾波器結(jié)構(gòu)可以通過單步光刻實現(xiàn)低成本的晶圓級的制備。 進一步,研究團隊通過將此濾波器與InGaAs探測器直接集成獲得了具有波長選擇性采樣功能的光譜傳感芯片單元。不同于常用的壓縮感知光譜重構(gòu)技術(shù),此工作采用了基于機器學習的統(tǒng)計方法來提取目標物的光譜特征,不僅避免了光譜重構(gòu)算法在不同類型光譜重構(gòu)中的不確定性問題,還顯著減少了光譜傳感所需要的光譜通道單元。 實驗結(jié)果表明,不管是近紅外光譜差異較大的乙醇和丙酮的混合液,還是光譜差異極小的甲醇和乙醇混合液,基于所研制的光譜傳感芯片結(jié)合機器學習統(tǒng)計方法都獲得了極高精度的濃度定量測試,而且通過優(yōu)化光譜采樣可以用最小3個光譜通道就獲得高精度的測試結(jié)果(預測模型的決定系數(shù)R2>0.92),顯著的降低了定制化近紅外光譜傳感芯片的尺寸和成本(如圖2)。研究團隊還進一步在塑料分揀、奶制品脂肪含量測試等實驗中進一步驗證了相關(guān)技術(shù)的適用性(如圖3)。

fa365dea-7d87-11ee-939d-92fbcf53809c.png

圖2 光譜傳感芯片結(jié)合機器學習統(tǒng)計方法獲得有機混合溶劑濃度測定

fa58aa12-7d87-11ee-939d-92fbcf53809c.jpg

圖3 塑料分選和光譜成像 綜上所述,這項研究為如何在極低硬件資源限制條件下獲得高性能光學傳感檢測功能提供了新的技術(shù)思路,為光譜傳感乃至光學傳感檢測的大規(guī)模應用提供了極具潛力的技術(shù)平臺。

審核編輯:彭菁

聲明:本文內(nèi)容及配圖由入駐作者撰寫或者入駐合作網(wǎng)站授權(quán)轉(zhuǎn)載。文章觀點僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場。文章及其配圖僅供工程師學習之用,如有內(nèi)容侵權(quán)或者其他違規(guī)問題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
  • 芯片
    +關(guān)注

    關(guān)注

    456

    文章

    50919

    瀏覽量

    424581
  • 探測器
    +關(guān)注

    關(guān)注

    14

    文章

    2647

    瀏覽量

    73080
  • 機器學習
    +關(guān)注

    關(guān)注

    66

    文章

    8423

    瀏覽量

    132757
  • 光譜傳感器
    +關(guān)注

    關(guān)注

    1

    文章

    86

    瀏覽量

    15377

原文標題:納米光學與機器學習相結(jié)合,賦能片上近紅外光譜傳感

文章出處:【微信號:MEMSensor,微信公眾號:MEMS】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

收藏 人收藏

    評論

    相關(guān)推薦

    怎樣去設(shè)計一種基于LSM6DSOX運動傳感器的機器學習電路?

    如何使用STMicroelectronics推出的智能運動傳感器?怎樣去設(shè)計一種基于LSM6DSOX運動傳感器的機器學習電路?
    發(fā)表于 07-02 06:25

    實現(xiàn)機器學習一種重要框架是深度學習

    人工智能的概念起源于1956年,所謂的人工智能就是給機器賦予人的智能,讓機器能夠像人樣地思考問題,做出決策。而一種較為有效的、可行的實現(xiàn)人工智能的
    的頭像 發(fā)表于 07-06 14:37 ?3319次閱讀

    一種新的基于機器學習的系統(tǒng)

    研究人員試圖開發(fā)一種機器學習方法,該方法可以篩選出46名表現(xiàn)出FASD的兒童。他們確定了一種篩查工具可能能夠覆蓋更多處于患病風險的兒童。
    的頭像 發(fā)表于 04-23 15:47 ?2183次閱讀

    一種新型的高光譜圖像解混算法

    一種新型的高光譜圖像解混算法
    發(fā)表于 06-27 10:51 ?24次下載

    一種改進的高光譜圖像CEM目標檢測算法

    廣泛應用于高光譜目標檢測中。本文在分析CEM算法的推導過程后,發(fā)現(xiàn)圖像像元的選擇,可以改善自相關(guān)系數(shù),因此提出一種改進的CEM目標檢測算法。該方法
    發(fā)表于 03-05 15:47 ?1386次閱讀
    <b class='flag-5'>一種</b>改進的高<b class='flag-5'>光譜</b>圖像CEM目標檢測<b class='flag-5'>算法</b>

    機器學習算法的5基本算子

    機器學習算法的5基本算子 機器學習一種重要的人工
    的頭像 發(fā)表于 08-17 16:11 ?1812次閱讀

    機器學習算法匯總 機器學習算法分類 機器學習算法模型

    是解決具體問題的系列步驟,機器學習算法被設(shè)計用于從大量的數(shù)據(jù)中自動學習并不斷改進自身的性能
    的頭像 發(fā)表于 08-17 16:11 ?1125次閱讀

    機器學習算法總結(jié) 機器學習算法是什么 機器學習算法優(yōu)缺點

    機器學習算法總結(jié) 機器學習算法是什么?機器
    的頭像 發(fā)表于 08-17 16:11 ?1946次閱讀

    機器學習算法入門 機器學習算法介紹 機器學習算法對比

    ,討論些主要的機器學習算法,以及比較它們之間的優(yōu)缺點,以便于您選擇適合的算法。 、
    的頭像 發(fā)表于 08-17 16:27 ?966次閱讀

    機器學習vsm算法

    (VSM)算法計算相似性。本文將從以下幾個方面介紹機器學習vsm算法。 1、向量空間模型 向量空間模型是一種常見的文本表示
    的頭像 發(fā)表于 08-17 16:29 ?897次閱讀

    機器學習有哪些算法?機器學習分類算法有哪些?機器學習預判有哪些算法?

    機器學習有哪些算法?機器學習分類算法有哪些?機器
    的頭像 發(fā)表于 08-17 16:30 ?2010次閱讀

    一種上集成的高性能中紅外光譜與偏振分光器

    近日,中國科學院上海技術(shù)物理研究所王少偉團隊提出了一種上集成的高性能中紅外光譜與偏振分光器(SPF)。
    的頭像 發(fā)表于 08-31 15:07 ?1073次閱讀
    <b class='flag-5'>一種</b>可<b class='flag-5'>片</b>上集成的高<b class='flag-5'>性能</b>中紅外<b class='flag-5'>光譜</b>與偏振分光器

    一種基于深度學習的二維拉曼光譜算法

    近日,天津大學精密儀器與光電子工程學院的光子芯片實驗室提出了一種基于深度學習的二維拉曼光譜算法,成果以“Rapid and accurate bacteria identificati
    的頭像 發(fā)表于 11-07 09:08 ?237次閱讀
    <b class='flag-5'>一種</b>基于深度<b class='flag-5'>學習</b>的二維拉曼<b class='flag-5'>光譜</b><b class='flag-5'>算法</b>

    硅波導寬帶近紅外光源增強上光譜傳感性能

    硅光子集成光路(PIC)代工廠能夠?qū)崿F(xiàn)從數(shù)據(jù)通信、激光雷達(LiDAR)到生物化學傳感等應用的完整片上電光系統(tǒng)的晶圓級制造。然而,到目前為止,硅的間接帶隙阻礙了其在這些系統(tǒng)中用作上光源。 據(jù)
    的頭像 發(fā)表于 11-11 09:32 ?232次閱讀
    硅波導寬帶近紅外光源增強<b class='flag-5'>片</b><b class='flag-5'>上光譜</b><b class='flag-5'>傳感性能</b>

    硅基波導集成的上光譜儀綜述

    近日,天津大學精密儀器與光電子工程學院的光子芯片實驗室綜述了近年來硅基波導集成的上光譜儀的研究成果,論文以“Integrated optical spectrometers on silicon photonics platforms”為題發(fā)表在《Laser & Pho
    的頭像 發(fā)表于 01-06 16:30 ?99次閱讀
    硅基波導集成的<b class='flag-5'>片</b><b class='flag-5'>上光譜</b>儀綜述