基于不同分光原理的超构表面成像光谱芯片的研究进展

光谱成像具有良好的多维信息获取能力，广泛应用在食品安全、医学诊断、环境监测、伪装识别及军事遥感等领域。传统光谱成像系统受到分光器件的限制，其存在体积大、成本高和集成度低等问题。基于新型超构表面的成像光谱芯片可为传感器小型化、低成本提供有效解决方案。随着光谱分析需求的持续攀升，加速了超构表面成像光谱芯片的快速发展。

据麦姆斯咨询报道，近日，长春理工大学物理学院王婷婷、蔡红星教授领导的团队在《激光与光电子学进展》期刊上发表了以“新型超构表面成像光谱芯片研究进展”为主题的文章。本文综述了近年来超构表面成像光谱芯片研究进展。在此基础上，介绍了该团队最新研究成果，通过创新设计成像光谱芯片体系架构，可同时实现高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率，为芯片级光谱成像系统的应用打下良好的基础。最后论述了成像光谱芯片的发展趋势及应用前景，为实现光谱成像系统小型化提供参考。

基于超构表面的相位调控机理

基于广义斯涅耳定律的超构表面是哈佛大学Capasso等于2011年提出的，作为超材料的二维形式，可在二维平面内周期性的排列亚波长单元结构来实现复杂的光场调控，从而形成平面光学元件，为先进光子器件的集成化与芯片化发展提供新思路。在基于超构表面的成像光谱芯片设计过程中，需要通过调控光学自由度实现光谱响应。结构设计的复杂多样性导致了丰富的光学特性。其中，金属超构表面中等离激元激发需要满足特定的波矢匹配条件，因此通过合理设计单元结构的结构参数可以改变其相位分布，从而实现光谱曲线的按需调控。在超构表面近12年的发展历程中，逐渐形成了不同的相位调控机理，包括传输相位和几何相位，文中对这两种类型的相位调控机理分别进行了阐述。

基于超构表面的成像光谱芯片

超构表面以其平面化和集成化的巨大优势，克服了传统分光技术中常用分立元件的尺寸限制，在成像光谱系统中极具吸引力。然而，要想更好地挖掘出基于超构表面成像光谱芯片的更大潜力，需要结合多种不同功能的超构表面，发挥出超构表面平面化和集成化的优势，还能实现高质量的成像性能和成像效果。下面将以分光原理为主线，对基于超构表面成像光谱芯片的研究进行综述。

色散型成像光谱芯片

色散型成像光谱系统，以棱镜和光栅最为常见。但在芯片化的设计方案中，波导光栅结构成为大体积棱镜的完美替代品。随着微纳制造加工技术的快速发展，形成了一系列的色散解决方案，其中包括阵列波导光栅、刻蚀衍射光栅以及超构表面等。2018年，美国加州理工学院Kavli纳米科学研究所Faraon教授，通过引入折叠超构表面光学的概念，设计了一款芯片级的近红外光谱仪，并发表于Nat.Commun.期刊。在系统中，色散和聚焦光学元件被放置于一侧玻璃基板上的超构表面代替，在两侧反射镜的作用下，使光线在基板内部传输，缩小了系统的尺寸，实现了1 mm × 1 mm × 7 mm的小体积设计。该光谱仪的分辨率约为1.2 nm，工作谱段覆盖760 ~ 860 nm。基于图1(a)的结构设计，通过改进器件的角响应，于2019年设计出一台线扫式高光谱成像仪，光谱范围为750 ~ 850 nm，光谱分辨率和角分辨率分别约为1.5 nm和0.075°，如图1(b)所示。系统总体积为8.5 mm³，该系统具备了片上集成芯片级的分光能力。然而，基于波导光栅的成像光谱芯片，其分辨率依赖于系统所提供的允许光线传输的光程长度如图1(c)所示。因此，高分辨能力与系统的小型化设计依然存在着相互制约的关系，限制了其在极端小型化的应用。

图1. 基于折叠超构表面的高光谱成像仪：(a)设计方案;(b)光谱成像系统;(c)光线传输及器件制备窄带滤波型成像光谱芯片基于超构表面的窄带滤波型成像光谱芯片，可以选择性地传输特定波长的光，其光谱分辨率受到光谱通道数量的限制。其与色散型成像光谱芯片在结构设计和系统集成方面相比更具有优势，规避了光程长度对分辨率的限制，实现了滤波结构与探测器的集成。2018年，美国普渡大学Kildishev设计了一种基于超构表面的纳米腔结构，如图2(a)所示。该结构借助了法布里-珀罗(FP)干涉原理，如图2(b)所示。该结构由两个厚度为15 nm的银镜组成FP光学腔，并在腔内嵌入了厚度为22 nm，周期为150 nm的银超构表面光栅，且超构表面与下表面银镜被厚度为40 nm的氧化铝间隔层分开。由FP干涉原理可知，通过改变腔的厚度和腔内介质的折射率，可以实现不同波段中心波长的可控调谐。而在此基础上，超构表面提供了更多的可调制自由度，从而能够实现多波段滤波和彩色成像，如图2(c)所示。同年，瑞士联邦理工学院Altug开发了基于超构表面纳米光子的中红外成像系统，并将其应用于物质的化学鉴定和成分分析，如图3所示。片上设计的电介质超构表面结构的每个共振都被调谐到离散的频率上，使分子吸收特征可以在多个光谱点被读出。实现了对生物、聚合物以及杀虫剂分子的精准监测，展示了超构表面在生物传感和环境监测等领域中的应用潜力。

图2. 基于嵌入式超构表面的纳米腔：(a)结构设计;(b)原理对比;(c)成像效果

图3. 像素化超构表面计算重构型成像光谱芯片计算重构型成像光谱芯片，利用高速的计算技术部分替代物理分光元件的工作负荷，进一步缩小成像系统的体积和重量，这已成为未来片上集成芯片级成像光谱系统发展的主要趋势。2019年，美国威斯康星大学麦迪逊分校Yu等提出了一种基于光子晶体平板的随机光谱仪。将不同周期、晶格常数和孔尺寸的光子晶体平板集成在CMOS成像传感器表面，实现了光谱的探测和成像光谱系统的构建。所设计的6 × 6光子晶体结构的光学图像，以及3张选定的光子晶体平板结构的电镜图像，如图4(a)所示。该滤波结构的工作光谱范围为550 ~ 750 nm，光谱分辨率为1 nm。整个滤波器尺寸为210 μm × 210 μm，体积较小，实现了片上集成芯片化的设计。构建的简易光谱成像系统成功获取目标的光谱信息，验证了光子晶体平板滤波器的光谱成像能力，如图4(b)所示。

图4. 基于光子晶体平板的计算重构型成像光谱芯片：(a)芯片级光谱仪的示意图和光学图像以及滤波结构的透射光谱;(b)高光谱成像的验证结果及重构数据立方体的空间图2022年，清华大学Cui等采用超构表面研制出国际上首款实时超光谱成像芯片，相关研究成果发表在Optica上。通过超构表面实现对入射光在频谱域的调制，利用CMOS图像传感器完成从频谱域到电域的映射测量，再利用压缩感知算法进行光谱的计算重构，并通过超构表面的大规模阵列集成，最终实现实时光谱成像，如图5所示。该款实时超光谱成像芯片将单点光谱仪的尺寸缩小到百微米以下，空间分辨率超过15万光谱像素，可快速获得每个像素点的光谱，工作谱段为450 ~ 750 nm，光谱分辨率为0.8 nm。该团队进一步研制出基于自由形状超原子的超构表面光谱成像芯片，突破了传统规则形状的超构表面设计限制，取得了更优异的光谱成像性能，如图6所示。对窄带光谱和宽带光谱分别进行重构，结果表明，该超光谱成像芯片能够实现保真度99%以上的宽谱光计算重构以及0.5 nm的波长分辨率。该项研究进一步提升了超构表面光谱成像芯片的性能，研究成果发表于Laser & Photonics Reviews，推动了未来光谱成像芯片的发展及其在实时传感领域的应用。

图5. 基于超构表面的超光谱成像芯片

图6. 基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片近年来，长春理工大学研究团队针对目前成像光谱芯片存在能量利用率低、空间分辨率下降大、成本高、工艺复杂等问题。设计新型的超构表面，基于计算重构光谱学原理，成功研制了成像光谱芯片。将超构表面微纳结构与CMOS图像传感器相结合，研制了与现有CMOS的光刻生产相兼容的生产工艺，实现了成像光谱芯片的量产。在结构设计阶段，通过选取微纳结构材料、优化微纳结构、选择探测器类型以及设计像素分布方式等研究工作，实现可定制的成像光谱芯片性能参数。该团队优化设计了I型金属超构表面结构，如图7(a)所示，整体具有能量利用率高、空间分辨率高、光谱分辨率高的优点，其芯片结构如图7(b)所示。在工艺制备阶段，采用聚焦离子束刻蚀工艺，并引入多层套刻技术，针对每层光谱调制材料不同的特性，对其掩模特性、刻蚀特性以及玻璃基片表面的附着特性进行工艺设计。最后，在显微镜下通过人工操作的方式实现该结构与探测器焦平面的像素级对准贴合，尺寸< 2 cm × 2 cm × 0.5 cm，该结构具有体积小、成本低的优点。

图7. 基于超构表面计算重构技术的成像光谱芯片：(a)I型金属超构表面结构;(b)芯片结构

该团队研制了多光谱相机，波段范围为350 ~ 950 nm，像素尺寸为6 μm × 6 μm，空间分辨率为，其在暗光条件下的成像效果与相同衬底的RGB芯片比较如图8所示。

图8. 暗光成像效果比较

总结和展望以分光技术为主线，介绍了基于不同分光原理的超构表面成像光谱芯片的研究进展。近几年，超构表面的研究在理论建模和微纳制造方面都取得了重大进展。超构表面可在亚波长尺度内实现对光场的灵活调控，且兼具传统光学元件无法比拟的平面化和低损耗的优点，超构表面为解决成像光谱系统的集成化、芯片化设计提供了有效的技术途径。尽管现有基于超构表面的成像光谱芯片已在多个领域中发挥巨大作用，但在芯片级的成像光谱系统中，同时实现系统的高能量利用率、高空间分辨率、高光谱分辨率依然存在着巨大的挑战。

综上所述，色散型和窄带滤波型，实质上是按比例缩小传统的光谱系统，各自存在着局限性。色散型超构表面光谱成像系统具有复杂的光路设计和庞大的元件体积，在片上集成芯片级的结构设计中，可靠性并不高。色散型成像光谱系统的光谱分辨率严重依赖光程长度，阻碍其进一步实现小型化。在众多的芯片化解决方案中，应用较多的是窄带滤波型技术。窄带滤波型的光谱分辨率可通过工作带宽下滤波通道的数量来衡量。在一定工作带宽下，滤波通道数量越多，光谱分辨率越高。然而，滤波型超构表面光谱成像技术更适用于低光谱分辨率的成像探测系统。获取单一光谱信息需要一个窄带滤波结构以形成光谱滤波通道。然而应对高分辨率需求时，成像系统必须使用带宽更窄和数量更多的滤波结构，这使得系统难以实现小型化，因此同时获取高空间分辨率和高光谱分辨率是存在矛盾的。此外，窄带滤波结构仅能够接收中心波长的光，增加滤波结构的数量也会极大地降低系统的光能量利用率，从而导致信噪比降低，成像效果难以满足实际应用需求。

随着计算机科学技术的飞速发展，计算机算法和光学领域的交叉融合得到了深入的探索，光学算法的发展降低了光谱成像系统对硬件的需求，并使得其成像性能得到了极大的提升。近年来，将超构表面与压缩感知算法相结合的计算重构型光谱成像探测系统被广泛研究，该系统利用超构表面的宽带滤波特性可对光谱信号进行采集。具有不同的宽带光谱响应特性的滤波结构，可以接收更宽范围的光谱信号，从而提升光能量利用率，有效提高系统的信噪比。在现有基于超构表面的光谱成像系统中，超构表面的透射光谱响应被用作压缩感知过程的测量矩阵。然而，测量矩阵一般为随机矩阵，因此对超构表面的设计通常采用“大量生产—随机挑选”的方法，该方法无法保证光谱重构的保真度。此外，宽带滤波的设计会加宽透射光谱，极易导致波段之间彼此混叠，产生严重的图像串扰，成像色差大，无法满足实际的应用需求。

因此，在未来超构表面成像光谱芯片的发展上，将面临新的考验，要实现光谱成像系统的小型化、芯片化、集成化、低成本，还要综合评估芯片级成像光谱系统的性能，使其达到高能量利用率、高空间分辨、高光谱分辨率的性能指标要求，向标准化和通用化方向迈进。未来，超构表面成像光谱芯片将有望真正进入掌上时代，深度融入日常生活，在食品安全、移动健康等方面展现出其独特的魅力。更有望为尖端装备装上“中国芯”，实现装备的小型化和轻量化。

责任编辑：彭菁