计算重建型光谱仪的便携性和经济性提升

据麦姆斯咨询报道，近日，芬兰阿尔托大学（Aalto University）Zhipei Sun等研究人员在Light: Science & Applications期刊发表了以“Reconstructive spectrometers taper down in price”为主题的评述文章。

长期以来，光谱学一直是工业和科学研究中不可或缺的工具。对于许多新兴应用，例如快速增长的可穿戴电子产品市场，便携性是至关重要的特性。有必要将更经济、尺寸更小的光谱仪集成到紧凑型设备中，例如监测人体生物信号的智能手表，以及可以检测假药的便携式分析仪。也许未来，人们甚至可以通过智能手机或智能眼镜来检测看不见的食物变质。尽管研究者已经在开发不同种类的光谱仪方面做出了巨大努力，但是在追求低成本、稳定、紧凑、快速、节能以及高分辨率的光谱学的竞争中，计算重建型光谱仪有望占据领先地位。

传统的光谱仪依靠色散元件（通常是光栅或棱镜）将入射光分离成其组成“颜色（频率）”；然后利用一维探测器阵列读取光谱。一般来说，光谱分辨率与线性维度成比例，因此这些光谱仪往往体积庞大。相比之下，计算重建型光谱仪的设计使得每个入射波长产生复杂但独特的模式作为输出信号。在设备对已知光谱的响应进行表征的训练之后，可以使用计算算法从设备对照明的响应中提取未知光谱的频率内容。

计算重建型光谱仪比台式光谱仪设计更为紧凑，但是不会牺牲过多性能。在输出电信号的器件上出现约几十微米量级的最小尺寸。这样的器件表现为可调谐能量滤波器，通常典型地作为施加电信号的函数。然而，到目前为止，这些超小型光谱仪在再现性、稳定性和运行速度等方面面临着诸多问题。另一方面，最高的光谱分辨率由利用多模干涉来创建波长相关空间模式的器件获得。例如，研究人员先前已经从多模光纤锥中漏出的光提取了光谱信息。虽然长度仅有几百微米的干涉区域足以获得皮米光谱分辨率，但需要外部光学元件来成像并获取空间模式，这阻碍了这些光谱仪的便携性的发展。

在最新一期eLight期刊上，浙江大学马耀光及其同事报道了一种基于多模干涉的紧凑型独立计算重建型光谱仪，该光谱仪将锥形光纤放置在CMOS图像传感器上。整个功能单元的尺寸约为1平方毫米。该光谱仪工作原理如图1所示。输入光首先从单模光纤耦合到多模光纤，激发多个横向光学模式。然后，光纤逐渐变细，使多个模式以复杂的空间模式漏出。由于不同的波长有不同的模式指数，所以每个波长的空间模式是唯一的。泄漏的光由CMOS图像传感器直接捕获，并由轻型视觉变换网络进行分析。该神经网络能以低至~ 1pm的分辨率重建输入光谱。一个传感器的单次发射（几十毫秒和微瓦）就足以收集到足够的信息来推导出光谱。值得注意的是，该研究还表明，许多光纤锥可以放置在同一个传感器上，从而能够同时获取多个光谱进行光谱成像。

图1 多模干涉独立计算重建型光谱仪的工作原理

该方法的一个主要优点是携带光谱信息的光学模式由成熟的商用CMOS图像传感器读出，这是一种成熟的技术。因此，这种光谱仪可以与便携式设备集成；无需开发额外的读出电子设备。除便携特性之外，这种光谱仪的制造成本也很低。该团队提供了一种经济型（不到15美元）且易于制造的光谱仪设计方法（光纤锥甚至可以徒手或利用酒精灯制成）。

这项技术有望在重视便携性的光谱仪应用中大放异彩。