基于不同分光原理的超構(gòu)表面成像光譜芯片的研究進展

光譜成像具有良好的多維信息獲取能力，廣泛應(yīng)用在食品安全、醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測、偽裝識別及軍事遙感等領(lǐng)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?；谛滦统瑯?gòu)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(gòu)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(xué)物理學(xué)院王婷婷、蔡紅星教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊在《激光與光電子學(xué)進展》期刊上發(fā)表了以“新型超構(gòu)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(gòu)表面成像光譜芯片研究進展。在此基礎(chǔ)上，介紹了該團隊最新研究成果，通過創(chuàng)新設(shè)計成像光譜芯片體系架構(gòu)，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(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。最后論述了成像光譜芯片的發(fā)展趨勢及應(yīng)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(gòu)表面的相位調(diào)控機理

基于廣義斯涅耳定律的超構(gòu)表面是哈佛大學(xué)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(jié)構(gòu)來實現(xiàn)復(fù)雜的光場調(diào)控，從而形成平面光學(xué)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(gòu)表面的成像光譜芯片設(shè)計過程中，需要通過調(diào)控光學(xué)自由度實現(xiàn)光譜響應(yīng)。結(jié)構(gòu)設(shè)計的復(fù)雜多樣性導(dǎo)致了豐富的光學(xué)特性。其中，金屬超構(gòu)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(shè)計單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(gòu)表面的成像光譜芯片

超構(gòu)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(shù)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(gòu)表面成像光譜芯片的更大潛力，需要結(jié)合多種不同功能的超構(gòu)表面，發(fā)揮出超構(gòu)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(gòu)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(shè)計方案中，波導(dǎo)光柵結(jié)構(gòu)成為大體積棱鏡的完美替代品。隨著微納制造加工技術(shù)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(dǎo)光柵、刻蝕衍射光柵以及超構(gòu)表面等。2018年，美國加州理工學(xué)院Kavli納米科學(xué)研究所Faraon教授，通過引入折疊超構(gòu)表面光學(xué)的概念，設(shè)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(xué)元件被放置于一側(cè)玻璃基板上的超構(gòu)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(shè)計。該光譜儀的分辨率約為1.2 nm，工作譜段覆蓋760 ~ 860 nm。基于圖1(a)的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過改進器件的角響應(yīng)，于2019年設(shè)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(dǎo)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(shè)計依然存在著相互制約的關(guān)系，限制了其在極端小型化的應(yīng)用。

圖1. 基于折疊超構(gòu)表面的高光譜成像儀：(a)設(shè)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(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)與探測器的集成。2018年，美國普渡大學(xué)Kildishev設(shè)計了一種基于超構(gòu)表面的納米腔結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。該結(jié)構(gòu)借助了法布里-珀羅(FP)干涉原理，如圖2(b)所示。該結(jié)構(gòu)由兩個厚度為15 nm的銀鏡組成FP光學(xué)腔，并在腔內(nèi)嵌入了厚度為22 nm，周期為150 nm的銀超構(gòu)表面光柵，且超構(gòu)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(chǔ)上，超構(gòu)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(xué)院Altug開發(fā)了基于超構(gòu)表面納米光子的中紅外成像系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于物質(zhì)的化學(xué)鑒定和成分分析，如圖3所示。片上設(shè)計的電介質(zhì)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)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(zhǔn)監(jiān)測，展示了超構(gòu)表面在生物傳感和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域中的應(yīng)用潛力。

圖2. 基于嵌入式超構(gòu)表面的納米腔：(a)結(jié)構(gòu)設(shè)計;(b)原理對比;(c)成像效果

圖3. 像素化超構(gòu)表面計算重構(gòu)型成像光譜芯片計算重構(gòu)型成像光譜芯片，利用高速的計算技術(shù)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(xué)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(gòu)建。所設(shè)計的6 × 6光子晶體結(jié)構(gòu)的光學(xué)圖像，以及3張選定的光子晶體平板結(jié)構(gòu)的電鏡圖像，如圖4(a)所示。該濾波結(jié)構(gòu)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(shè)計。構(gòu)建的簡易光譜成像系統(tǒng)成功獲取目標(biāo)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(gòu)型成像光譜芯片：(a)芯片級光譜儀的示意圖和光學(xué)圖像以及濾波結(jié)構(gòu)的透射光譜;(b)高光譜成像的驗證結(jié)果及重構(gòu)數(shù)據(jù)立方體的空間圖2022年，清華大學(xué)Cui等采用超構(gòu)表面研制出國際上首款實時超光譜成像芯片，相關(guān)研究成果發(fā)表在Optica上。通過超構(gòu)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(gòu)，并通過超構(gòu)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(gòu)表面光譜成像芯片，突破了傳統(tǒng)規(guī)則形狀的超構(gòu)表面設(shè)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(gòu)，結(jié)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(gòu)以及0.5 nm的波長分辨率。該項研究進一步提升了超構(gòu)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(lǐng)域的應(yīng)用。

圖5. 基于超構(gòu)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(xué)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(fù)雜等問題。設(shè)計新型的超構(gòu)表面，基于計算重構(gòu)光譜學(xué)原理，成功研制了成像光譜芯片。將超構(gòu)表面微納結(jié)構(gòu)與CMOS圖像傳感器相結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)計階段，通過選取微納結(jié)構(gòu)材料、優(yōu)化微納結(jié)構(gòu)、選擇探測器類型以及設(shè)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(shè)計了I型金屬超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(shù)，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(shè)計。最后，在顯微鏡下通過人工操作的方式實現(xiàn)該結(jié)構(gòu)與探測器焦平面的像素級對準(zhǔn)貼合，尺寸< 2 cm × 2 cm × 0.5 cm，該結(jié)構(gòu)具有體積小、成本低的優(yōu)點。

圖7. 基于超構(gòu)表面計算重構(gòu)技術(shù)的成像光譜芯片：(a)I型金屬超構(gòu)表面結(jié)構(gòu);(b)芯片結(jié)構(gòu)

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(jié)和展望以分光技術(shù)為主線，介紹了基于不同分光原理的超構(gòu)表面成像光譜芯片的研究進展。近幾年，超構(gòu)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(gòu)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(xué)元件無法比擬的平面化和低損耗的優(yōu)點，超構(gòu)表面為解決成像光譜系統(tǒng)的集成化、芯片化設(shè)計提供了有效的技術(shù)途徑。盡管現(xiàn)有基于超構(gòu)表面的成像光譜芯片已在多個領(lǐng)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(gòu)表面光譜成像系統(tǒng)具有復(fù)雜的光路設(shè)計和龐大的元件體積，在片上集成芯片級的結(jié)構(gòu)設(shè)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(yán)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(yīng)用較多的是窄帶濾波型技術(shù)。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(gòu)表面光譜成像技術(shù)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(jié)構(gòu)以形成光譜濾波通道。然而應(yīng)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)僅能夠接收中心波長的光，增加濾波結(jié)構(gòu)的數(shù)量也會極大地降低系統(tǒng)的光能量利用率，從而導(dǎo)致信噪比降低，成像效果難以滿足實際應(yīng)用需求。

隨著計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機算法和光學(xué)領(lǐng)域的交叉融合得到了深入的探索，光學(xué)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(gòu)表面與壓縮感知算法相結(jié)合的計算重構(gòu)型光譜成像探測系統(tǒng)被廣泛研究，該系統(tǒng)利用超構(gòu)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(yīng)特性的濾波結(jié)構(gòu)，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(gòu)表面的光譜成像系統(tǒng)中，超構(gòu)表面的透射光譜響應(yīng)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(gòu)表面的設(shè)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(gòu)的保真度。此外，寬帶濾波的設(shè)計會加寬透射光譜，極易導(dǎo)致波段之間彼此混疊，產(chǎn)生嚴(yán)重的圖像串?dāng)_，成像色差大，無法滿足實際的應(yīng)用需求。

因此，在未來超構(gòu)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(biāo)要求，向標(biāo)準(zhǔn)化和通用化方向邁進。未來，超構(gòu)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。

責(zé)任編輯：彭菁