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PROUCTS LIST
該基于深度學(xué)習(xí)的無序色散微型光譜儀，其色散介質(zhì)采用毛玻璃，不僅價格低廉，且光通量較高。而 DL 方法展現(xiàn)了其在嘈雜環(huán)境中仍能精確且穩(wěn)定地重建光譜的能力，這是傳統(tǒng)算法通常所不具備的。只需使用圖像傳感器獲取毛玻璃散射光的光強(qiáng)散斑分布，就可以通過訓(xùn)練完成的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)現(xiàn)待測光的光譜重建，如同智駕一樣迅速，并保持著較高的準(zhǔn)確性，下圖1為光譜儀的光譜重建結(jié)果。
圖 1(a)不同波長的6個窄帶光譜重建;(b)不同時間的2個寬帶光譜重建;(c)2個相近的窄帶光譜重建;(d)基于 Tikhonov 正則化的光譜重建與基于 MLP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光譜重建對比
該系統(tǒng)的經(jīng)典工作流程包括：校準(zhǔn)、編碼和解碼。校準(zhǔn)過程利用單色儀或可調(diào)諧激光器測量光學(xué)編碼器的響應(yīng)功能，編碼過程通常是捕獲未知光譜經(jīng)編碼器后的單鏡頭圖像，解碼則是根據(jù)編碼矩陣和單鏡頭圖像數(shù)據(jù)重建未知光譜。而基于 DL 的光譜儀將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程代替?zhèn)鹘y(tǒng)光譜儀的校準(zhǔn)過程，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)之間的復(fù)雜關(guān)系，從而在不需要人工干預(yù)的情況下進(jìn)行校準(zhǔn)和修正，可以實(shí)現(xiàn)更高的精度和穩(wěn)定性，降低人工成本和時間成本。同時，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也可以更靈活地適應(yīng)時間和環(huán)境條件的變化，所以不需要重新設(shè)計和反復(fù)實(shí)施傳統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。圖2介紹了基于深度學(xué)習(xí)的無序色散微型光譜儀結(jié)構(gòu)。
圖2 基于深度學(xué)習(xí)的無序色散微型光譜儀系統(tǒng)
光譜儀工作系統(tǒng)主要由兩個部分組成:將光譜信息轉(zhuǎn)換為空間數(shù)據(jù)的編碼部分和將空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回光譜信息的重建部分。在編碼過程中，待測光首先會照射到毛玻璃上，通過毛玻璃后會在探測器表面形成光斑強(qiáng)度圖，圖形的形狀和待測光光譜有關(guān)。毛玻璃和探測器之間的距離僅為2mm，這使得兩者可以集成在同一塊芯片上，大大減小了光譜儀的尺寸。接下來通過使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將會得到對應(yīng)的光譜信息。本文介紹的系統(tǒng)，采用平均均方誤差(MSE)作為損失函數(shù)，該函數(shù)可以計算出重建光譜與真值光譜之間的差異
其中 A 為數(shù)據(jù)集的數(shù)量，Sˆk 和Sk 分別表示第 k 個重建光譜和它對應(yīng)的真值光譜。本實(shí)驗(yàn)中所有圖像預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和測試均使用 PyTorch 完成，使用到的 GPU 為 NVIDIA GTX 4090.模型的初始學(xué)習(xí)率為 2 × 10-4.使用 Adam 優(yōu)化器自適應(yīng)調(diào)整學(xué)習(xí)率，dropout 率設(shè)置為 0.05.下圖3為訓(xùn)練過程中的損失函數(shù)下降曲線
圖3 隨著訓(xùn)練輪次增加的損失函數(shù)(MSE)下降曲線
光譜儀作為一種重要的光學(xué)測量儀器，在工業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)診斷以及食品安全等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)光譜儀通常依賴?yán)忡R或光柵等色散元件以及較長焦距的光學(xué)系統(tǒng)，通過空間分光實(shí)現(xiàn)光譜測量。這類系統(tǒng)往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大且成本較高，難以滿足便攜式設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)以及實(shí)時檢測等新興應(yīng)用需求。因此，開發(fā)小型化、低成本且高性能的光譜儀成為當(dāng)前光學(xué)工程與計算成像領(lǐng)域的重要研究方向。近年來，隨著微納加工技術(shù)和計算成像理論的發(fā)展，計算光譜儀逐漸成為實(shí)現(xiàn)光譜儀微型化的重要技術(shù)路線。該類方法通過設(shè)計具有特定光譜響應(yīng)的調(diào)制器，將輸入光譜編碼為一組強(qiáng)度測量值，再通過計算重建算法恢復(fù)原始光譜信息。目前已有多種實(shí)現(xiàn)方案，例如基于量子點(diǎn)、光子晶體、液晶器件、薄膜濾光片、納米線以及超表面結(jié)構(gòu)的光譜編碼器等。這些方法雖然在性能上取得了顯著進(jìn)展，但往往依賴復(fù)雜的微納加工工藝或特殊材料體系，制造成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模低成本應(yīng)用，限制了其可擴(kuò)展性和經(jīng)濟(jì)性。
光彈性效應(yīng)是指某些材料(如塑料)在受力時會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，即折射率隨應(yīng)力方向變化而變化。當(dāng)光通過這種各向異性材料時，正交偏振方向的折射率不同，導(dǎo)致入射光分解為兩束偏振方向垂直、傳播速度不同的光(尋常光和非尋常光)，兩者之間產(chǎn)生相位差，由于相位差隨波長和局部應(yīng)力變化，不同波長的光在不同位置發(fā)生干涉，從而將光譜信息編碼為空間色彩分布。利用這一特性，可構(gòu)建微型計算光譜儀。ElastoSpec 的核心是一個光彈光譜濾波器(photoelastic spectral filter)，其結(jié)構(gòu)非常簡單，僅由兩個偏振片和一塊受應(yīng)力塑料片組成，并直接安裝在 CMOS 圖像傳感器前端，避免了傳統(tǒng)計算光譜儀中常見的復(fù)雜納米制造工藝以及陣列式光譜濾波器結(jié)構(gòu)。整個光譜儀的尺寸約為 27 mm × 27 mm，重量約 4.91 g，具有明顯的小型化優(yōu)勢。其工作原理基于光彈效應(yīng)，當(dāng)透明材料受到機(jī)械應(yīng)力時，其折射率會在不同方向上發(fā)生變化，從而產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射。通過在不同偏振角度和不同空間位置下測量濾波器的光譜響應(yīng)函數(shù)，對所設(shè)計濾波器的性能進(jìn)行了表征。結(jié)果表明，該濾波器能夠產(chǎn)生豐富多樣的光譜響應(yīng)，可用于光譜信息的有效感知。系統(tǒng)通過選擇濾波器上不同的空間位置作為光譜調(diào)制單元來實(shí)現(xiàn)光譜調(diào)制。
圖1. 具有不同偏振角度和空間位置的光彈性光譜濾光片的光學(xué)特性。(a) 選定塑料片的照片。(b) 彈性規(guī)格示意圖。(c) 第二偏振片不同偏振角下的光彈性光譜濾光片彩色照片，且第一偏振片的角度固定。(d) 傳輸光譜的三維表示，具有不同的偏振角度(偏振片2)和空間位置(以濾波器編號0、1、...、30為索引)。(e) 具有不同偏振角度的傳輸光譜示例，對應(yīng)于選定的空間位置。(f) 從(e) 中選取的譜響應(yīng)曲線示例，對應(yīng)不同的偏振角度。
ElastoSpec 重建性能
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了 ElastoSpec 在簡單窄帶光譜和復(fù)雜光譜輸入條件下的有效性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn) 2 nm 的光譜分辨率，并在單色光輸入條件下獲得約 0.2 nm 的半高全寬(FWHM)誤差。在僅使用 10 個光譜調(diào)制單元的情況下，系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn) 10?³量級均方誤差(MSE)的高精度光譜重建。進(jìn)一步地，本文提出了一種自適應(yīng)調(diào)制單元選擇策略，通過優(yōu)化濾波器上光譜調(diào)制單元的采樣數(shù)量以及空間位置分布，從而提升 ElastoSpec 的光譜感知性能。
圖2. ElastoSpec 的重建性能特性。(a) 實(shí)驗(yàn)中使用的30個調(diào)制單元中的10個代表性譜響應(yīng)函數(shù)。(b) 頻譜響應(yīng)的相關(guān)系數(shù)矩陣。(c) 頻譜響應(yīng)的主成分分析。(d) 對9個單色光樣本在400–700 nm范圍內(nèi)不同波長的光譜重建，與商業(yè)光譜儀測量的參考光譜進(jìn)行比較。(e) 峰值波長的重建誤差，對應(yīng)于(d) 中重建的光譜。(f)，(g) 400–700 nm 范圍內(nèi)單色光的峰值波長和 FWHM 重建誤差，間隔為 1 nm。(h) 兩個峰間距2 nm的混合窄帶信號重建結(jié)果。
ElastoSpec 為設(shè)計緊湊、易制備且低成本的便攜式光學(xué)傳感器和消費(fèi)級設(shè)備提供了一種新的實(shí)現(xiàn)方案。該方法基于由應(yīng)力誘導(dǎo)雙折射產(chǎn)生的光彈效應(yīng)，通過使用普通透明塑料片作為雙折射介質(zhì)，避免了對特殊材料和復(fù)雜制造工藝的依賴。與依賴人工設(shè)計雙折射材料結(jié)構(gòu)的方法不同，ElastoSpec 利用了普通塑料內(nèi)部隨機(jī)應(yīng)力分布所產(chǎn)生的光譜調(diào)制特性，并且可以通過靈活優(yōu)化光譜調(diào)制單元的空間位置和數(shù)量進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。這項工作避免了復(fù)雜微納加工和特殊材料的需求，為開發(fā)簡單、經(jīng)濟(jì)且可擴(kuò)展的片上和便攜式光譜傳感設(shè)備提供了技術(shù)基礎(chǔ)。
超微型光譜儀的高性能：實(shí)現(xiàn)了4×4微米²的超小尺寸，0.17納米的波長精度和0.4納米的光譜分辨率。高靈敏度和動態(tài)范圍：光譜儀的檢測限低至1.2飛焦耳(fJ)，動態(tài)范圍達(dá)到149分貝(dB)。角分辨光譜成像：通過金屬透鏡和光譜儀陣列的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的角分辨光譜成像。高光譜成像能力：成功展示了光譜儀陣列在高光譜成像中的應(yīng)用，能夠重建復(fù)雜的光譜信息。
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圖1：角分辨超表面光譜儀的設(shè)計原理
核心思想：展示了超表面光譜儀的基本設(shè)計和工作原理。通過超表面調(diào)制光信號，并利用鈣鈦礦光電探測器記錄信號。通過改變外加電壓，超表面的透射光譜可以被調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)高精度的光譜重建。
圖2：超微型光譜儀的性能測試
核心思想：展示了超微型光譜儀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，包括其高分辨率、高靈敏度和動態(tài)范圍。通過與商業(yè)光譜儀的對比，驗(yàn)證了其在寬光譜范圍內(nèi)的重建能力。
圖3：微激光器的光譜分析
核心思想：利用超微型光譜儀對鈣鈦礦微激光器進(jìn)行光譜分析，展示了其在復(fù)雜光譜重建中的能力，包括高密度的周期性峰和寬帶光譜。
圖4：光譜儀陣列的高光譜成像能力
核心思想：展示了光譜儀陣列在高光譜成像中的應(yīng)用。通過重建光譜數(shù)據(jù)立方體，實(shí)現(xiàn)了對圖像的光譜分析和偽彩色成像。
圖5：角分辨光譜分析和成像
核心思想：展示了超微型光譜儀在角分辨光譜分析中的應(yīng)用。通過金屬透鏡將不同角度的光信號聚焦到光譜儀陣列上，實(shí)現(xiàn)了高分辨率的角分辨光譜成像。
