一種人工智能自適應(yīng)微型光譜儀

圖1. 團(tuán)隊(duì)的微型光譜儀工作當(dāng)選了當(dāng)期《美國(guó)科學(xué)院院刊》的封面。

光的波長(zhǎng)探測(cè)在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中具有重要作用。傳統(tǒng)上，該過(guò)程依賴于將分光元件與光機(jī)械設(shè)備結(jié)合使用，這不僅增加了探測(cè)系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積，還大幅提高了成本。近年來(lái)，依賴人工智能算法的微型化重構(gòu)光譜儀打破了香農(nóng)-內(nèi)斯特采樣極限，在機(jī)器視覺、環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

8月13日，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系、智慧納米機(jī)器人與納米系統(tǒng)國(guó)際研究院梅永豐教授課題組在《美國(guó)科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上發(fā)表題為《CMOS工藝兼容、集成自參考法布里-佩羅諧振腔的計(jì)算重構(gòu)光譜儀》(“CMOS-Compatible Reconstructive Spectrometers with Self-Referencing Integrated Fabry-Perot Resonators”)的研究成果。該成果還被選為當(dāng)期封面文章高亮報(bào)道。

團(tuán)隊(duì)提出了一種新型微型化重構(gòu)光譜儀設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)結(jié)合了傳統(tǒng)光譜儀和計(jì)算重構(gòu)光譜儀各自的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)集成的自參考窄帶濾波通道，使得人工智能算法可以在更高維度的參數(shù)空間進(jìn)行光譜和算法參數(shù)的同時(shí)搜索(圖2A-C)。同時(shí)，該光譜儀可以通過(guò)成熟的集成電路工藝進(jìn)行晶圓級(jí)制造(圖2D)，并具有毫米級(jí)尺寸，足以勝任大部分微型化光譜測(cè)試需求(圖2E)。該光譜儀在整個(gè)可見光波段(400-800 nm)表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)能力(圖2F)，可達(dá)到約2.5 nm 的分辨率、約0.27 nm的平均波長(zhǎng)偏差、高達(dá)5806的分辨力，以及約0.46%的分辨率與帶寬比，性能接近商用光纖光譜儀，但成本和體積大幅減少。

圖2. 晶圓級(jí)制備的自適應(yīng)微型光譜儀：(A)傳統(tǒng)光譜儀工作原理;(B)典型重建型光譜儀工作原理;(C)自適應(yīng)光譜儀工作原理：算法在比一般重構(gòu)算法更高維的參數(shù)空間中識(shí)別全局最小成本函數(shù);(D)微型光譜儀的晶圓級(jí)制造(比例尺為1 cm);(E)指尖上的微型光譜儀成品;(F)微型光譜對(duì)可見光波段內(nèi)準(zhǔn)單色光的重構(gòu)效果。

團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步演示了該自適應(yīng)微型光譜儀在結(jié)合微流控及機(jī)械掃描系統(tǒng)后，在透射、吸收和光致發(fā)光光譜測(cè)量等常見實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的表現(xiàn)，其結(jié)果與商業(yè)化光纖光譜儀基本一致(圖3A-F)。此外，團(tuán)隊(duì)展示了自適應(yīng)微型光譜儀在高光譜成像中的應(yīng)用前景，為進(jìn)一步發(fā)掘該微型光譜儀的CMOS工藝兼容性，將其作為高光譜相機(jī)的單個(gè)像素的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)(圖3G-H)。

圖3. 微型光譜儀的應(yīng)用：(A)微型透射-吸收光譜測(cè)試示意圖;(B-C)對(duì)維生素B的(B)透射光譜和(C)吸收光譜重構(gòu)結(jié)果;(D)微型光致發(fā)光光譜測(cè)試示意圖;(E)羅丹明B的光致發(fā)光譜重構(gòu)結(jié)果;(F)石墨烯量子點(diǎn)的光致發(fā)光譜重構(gòu)結(jié)果;(G)高光譜成像演示示意圖;(H)在不同波長(zhǎng)下重建的高光譜圖像。

由于光譜形貌的多樣性以及信號(hào)稀疏性假設(shè)，以往報(bào)道的重構(gòu)式微型光譜儀通常需要人工校準(zhǔn)算法參數(shù)，否則待測(cè)光譜的還原結(jié)果可能會(huì)失真。該自適應(yīng)光譜儀通過(guò)集成法布里-佩羅窄帶濾波通道，引入了一組在固定波長(zhǎng)位置上具有較低分辨率但高度準(zhǔn)確的自參考光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)算法重構(gòu)信號(hào)的引導(dǎo)和校正，從而在無(wú)需人工干預(yù)的情況下，依然能夠提供高分辨率且穩(wěn)定的光譜探測(cè)結(jié)果。

綜上所述，該研究為實(shí)現(xiàn)具有通用性與高魯棒性的微型重構(gòu)光譜儀提供了新的思路，有望借助成熟的CMOS集成電路工藝，推動(dòng)微型光譜探測(cè)系統(tǒng)融入CIS圖像模組，從而優(yōu)先應(yīng)用于移動(dòng)便攜式測(cè)量、車載機(jī)器視覺和分布式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域。

尤淳瑜博士為第一作者，梅永豐教授為通訊作者。該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目的資助和支持，部分實(shí)驗(yàn)在復(fù)旦大學(xué)微納加工與器件公共實(shí)驗(yàn)室開展。

審核編輯 黃宇