快照高光譜成像：超構(gòu)光學(xué)+小數(shù)據(jù)凸優(yōu)化/深度學(xué)習(xí)理論

高光譜成像對于材料識別至關(guān)重要，但傳統(tǒng)系統(tǒng)體積龐大，阻礙了緊湊型系統(tǒng)的發(fā)展。雖然先前的超構(gòu)表面（metasurfaces）解決了體積問題，但復(fù)雜的制造工藝和巨大的占位面積仍然限制了它們的應(yīng)用。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，國立成功大學(xué)（National Cheng Kung University）的研究團隊在Nature Communications期刊上發(fā)表了題為“Metasurface-empowered snapshot hyperspectral imaging with convex/deep (CODE) small-data learning theory”的論文。通過將超構(gòu)光學(xué)（meta-optics）與小數(shù)據(jù)凸優(yōu)化/深度學(xué)習(xí)（CODE）理論相結(jié)合，該論文報道了一種緊湊型快照高光譜成像儀。該高光譜成像儀僅包含一個在可見光窗口（500 - 650 nm）工作的多波長超構(gòu)表面芯片，顯著減小了設(shè)備尺寸。為了展示所提出的高光譜成像儀的高性能，研究人員使用4波段多光譜成像數(shù)據(jù)集作為輸入。通過CODE驅(qū)動的成像系統(tǒng)，僅使用18個訓(xùn)練數(shù)據(jù)點即可高效生成高保真度的18波段高光譜數(shù)據(jù)立方體。多共振（multi-resonant）超構(gòu)表面與小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)理論的完美結(jié)合有望為基礎(chǔ)科學(xué)研究和實際應(yīng)用提供緊湊型的先進儀器。

利用平面超構(gòu)光學(xué)和小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)理論計算成像的優(yōu)勢，研究人員提出并在實驗中演示了一種緊湊型快照高光譜成像儀（見圖1）。這種先進的超構(gòu)表面驅(qū)動的高光譜成像儀是由專門設(shè)計的由多共振等離子體超構(gòu)原子（meta-atoms）構(gòu)建的多波長離軸聚焦超構(gòu)反射鏡（MOFM）實現(xiàn)的。在可見光窗口工作時，MOFM能夠在一次測量中獲取4幅圖像的多光譜數(shù)據(jù)集。

圖1 超構(gòu)表面賦能高光譜成像的原理示意圖

該研究不使用濾波器構(gòu)建彩色物體多光譜圖像的主要思想，是利用多共振超構(gòu)原子作為超構(gòu)表面構(gòu)建單元。研究人員將鋁（Al）納米棒與專門設(shè)計的分布式布拉格反射器（DBR）相結(jié)合，以實現(xiàn)多共振超構(gòu)原子。為了在空間上將彩色圖像分離成多個波長通道，研究人員通過引入具有橫向色差的多共振超構(gòu)原子來設(shè)計MOFM。多共振超構(gòu)原子和MOFM的設(shè)計如圖2所示。

圖2 多共振超構(gòu)原子和離軸聚焦超構(gòu)反射鏡的設(shè)計

接下來，研究人員制造了MOFM并通過實驗表征其光學(xué)功能，如圖3所示。

圖3 多波長離軸聚焦超構(gòu)反射鏡（MOFM）的聚焦和成像演示

為了從多光譜圖像中獲得高質(zhì)量的高光譜數(shù)據(jù)立方體，研究人員開發(fā)了一種創(chuàng)新的機器學(xué)習(xí)理論。提出的成像技術(shù)應(yīng)用了CODE學(xué)習(xí)理論，該理論最初是為基于小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)（SMDL）的高光譜衛(wèi)星數(shù)據(jù)恢復(fù)（數(shù)據(jù)稀少且昂貴）而開發(fā)的，通過巧妙地結(jié)合凸優(yōu)化（convex optimization）和深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢以實現(xiàn)光譜超分辨率，從而在計算上獲得清晰的高光譜圖像。

圖4 CODE小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)與成像理論的流程示意圖

研究人員通過實驗演示了使用單個超構(gòu)表面芯片的快照高光譜成像，結(jié)果如圖5所示。

圖5 快照高光譜成像

為了定量分析基于MOFM的高光譜成像儀的成像性能，研究人員計算了逐像素均方誤差（MSE）損失，該數(shù)據(jù)被廣泛用于比較真實圖像（地面實況）和生成圖像中各個像素的MSE，如圖6a所示。圖6b、6c分別為兩個高光譜成像數(shù)據(jù)立方體的均方根誤差（RMSE）和光譜角映射（SAM）。以上這些結(jié)果表明，所提出的方法在現(xiàn)實世界的實時成像中具有很大的潛力。

圖6 高光譜成像數(shù)據(jù)立方體的保真度

綜上所述，這項研究提出并通過實驗演示了一種基于MOFM的超構(gòu)表面賦能的快照高光譜系統(tǒng)，該系統(tǒng)與創(chuàng)新的CODE小數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)理論相結(jié)合。以4波段圖像的小數(shù)據(jù)集作為輸入，該系統(tǒng)可以生成由18波段高保真彩色圖像組成的像差校正高光譜數(shù)據(jù)立方體。初始的4波段多光譜圖像是使用單顆超構(gòu)表面芯片獲取的，顯著減少了高光譜成像儀的占位面積。所開發(fā)的高光譜成像儀外形緊湊、設(shè)備尺寸小，在先進系統(tǒng)和空間儀器（例如無人機系統(tǒng)和小型衛(wèi)星）方面具有巨大的潛力。雖然所提出的快照高光譜系統(tǒng)目前僅展示了可見光區(qū)域的18波段數(shù)據(jù)立方體，但值得注意的是，波段數(shù)量和光譜范圍可以進一步擴展。這歸功于所開發(fā)的超構(gòu)原子的多共振特性，其覆蓋了從可見光到近紅外區(qū)域的廣泛范圍。