基于超簡化衍射的計算光譜儀開發(fā)

由于傳統(tǒng)的光譜儀體積龐大而不符合很多實際應(yīng)用場景，因此將光譜儀微型化以用于緊湊且經(jīng)濟型移動平臺是當(dāng)前光譜學(xué)研究的一項主要挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的微型化設(shè)計主要依賴于納米光子結(jié)構(gòu)的預(yù)校準(zhǔn)響應(yīng)函數(shù)，以編碼探測器陣列在快照中捕獲的光譜信息。精確的光譜重建是通過計算技術(shù)實現(xiàn)的，但這需要精確的器件設(shè)計、高精度的制造工藝和校準(zhǔn)共同配合。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學(xué)智能制造裝備與技術(shù)全國重點實驗室的科研團(tuán)隊在Light: Science & Applications期刊上發(fā)表了以“Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer”為主題的論文。該論文的第一作者為陳創(chuàng)創(chuàng)，通訊作者為劉世元教授和谷洪剛副教授。

這項研究提出了一種超簡化的計算光譜儀，它采用一種僅依賴于衍射輻射光譜的數(shù)值正則化變換所促進(jìn)的“單波長-寬帶光譜（one-to-broadband）”衍射分解策略。該設(shè)計的主要特點在于使用了一種簡單、任意形狀的針孔作為部分色散器，避免了復(fù)雜的編碼設(shè)計和全光譜校準(zhǔn)。

如果已知單色衍射的所有光譜分量，就有可能從寬帶衍射圖中重建光譜，這可以被視為一種不適定的多元線性方程（MLE）。這意味著，只有將不同波長的每個單色衍射的透射系數(shù)預(yù)先表征為編碼信息，才能計算出輻射光譜。然而，這種校準(zhǔn)過程通常很繁瑣，有時甚至在實際應(yīng)用中無法實現(xiàn)。本研究所用方法的關(guān)鍵點在于，利用“one-to-broadband”點擴展函數(shù)（PSF）映射方案，可以從給定波長λ處的單色衍射圖案Im的單次捕獲中獲得波長λ處的每個單波長衍射剖面Iλ（如圖1a）。利用這些信息，就可以通過單次寬帶衍射結(jié)合相應(yīng)的PSF重建輸入光譜。

圖1 基于“one-to-broadband”衍射的計算光譜儀

為了展示所提出光譜儀的性能，研究人員使用超連續(xù)光源（YSL Photonics SC-Pro-M）和用于調(diào)制入射光譜形狀的一組光學(xué)濾波片（Thorlabs F系列），進(jìn)行了一系列實驗驗證。圖2顯示了通過PSF映射實現(xiàn)寬帶衍射的疊加。圖3顯示了上述過程重建的5個任意光譜（紅色曲線）與商用光譜儀相應(yīng)測量結(jié)果（黑色曲線）的對比情況。

圖2 通過PSF映射的寬帶衍射疊加

圖3 重建光譜（紅色曲線）與商用光柵光譜儀（Horiba iHR550）測量結(jié)果（黑色曲線）的比較

在實際應(yīng)用中，重建的光譜通常對色散器件的衍射效率更為敏感。因此，研究人員采用Φ20 μm針孔和Φ100 μm西門子星（Siemens star）分別作為衍射色散器進(jìn)行了進(jìn)一步驗證，結(jié)果如圖4所示。

圖4 衍射色散器的衍射效率提高了光譜測量的質(zhì)量

最后，研究人員實現(xiàn)了寬帶無透鏡成像的奇特應(yīng)用，從而展示了新型光譜儀在實際應(yīng)用中的應(yīng)用前景。圖5顯示了寬帶相干衍射成像（CDI）的實驗設(shè)置，以及利用所開發(fā)的方法與基于傳統(tǒng)相位恢復(fù)技術(shù)分別重建的結(jié)果比較。

圖5 利用本研究所提出的衍射計算光譜儀的寬帶CDI的典型應(yīng)用

綜上所述，這項研究提出了一種基于“one-to-broadband”衍射的計算光譜儀的創(chuàng)新方案，采用簡化的任意形狀衍射微結(jié)構(gòu)作為色散器，使其實現(xiàn)超緊湊、低成本等特性，為單次光譜測量鋪平了道路。與其它計算光譜儀設(shè)計的不同之處在于，該光譜儀基于預(yù)捕獲的相干單色衍射的單次PSF映射，從而生成全光譜響應(yīng)函數(shù)，既無需預(yù)編碼設(shè)計和高精度復(fù)雜的制造工藝，也無需全光譜響應(yīng)函數(shù)校準(zhǔn)。因此，憑借其原理通用性、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸緊湊等優(yōu)勢，該方法具備微型化、低成本以及芯片實驗室（lab-on-chip）集成的特點，在寬帶光譜測量和計算成像領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清