基于超简化衍射的计算光谱仪开发

由于传统的光谱仪体积庞大而不符合很多实际应用场景，因此将光谱仪微型化以用于紧凑且经济型移动平台是当前光谱学研究的一项主要挑战。现有的微型化设计主要依赖于纳米光子结构的预校准响应函数，以编码探测器阵列在快照中捕获的光谱信息。精确的光谱重建是通过计算技术实现的，但这需要精确的器件设计、高精度的制造工艺和校准共同配合。

据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学智能制造装备与技术全国重点实验室的科研团队在Light: Science & Applications期刊上发表了以“Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer”为主题的论文。该论文的第一作者为陈创创，通讯作者为刘世元教授和谷洪刚副教授。

这项研究提出了一种超简化的计算光谱仪，它采用一种仅依赖于衍射辐射光谱的数值正则化变换所促进的“单波长-宽带光谱（one-to-broadband）”衍射分解策略。该设计的主要特点在于使用了一种简单、任意形状的针孔作为部分色散器，避免了复杂的编码设计和全光谱校准。

如果已知单色衍射的所有光谱分量，就有可能从宽带衍射图中重建光谱，这可以被视为一种不适定的多元线性方程（MLE）。这意味着，只有将不同波长的每个单色衍射的透射系数预先表征为编码信息，才能计算出辐射光谱。然而，这种校准过程通常很繁琐，有时甚至在实际应用中无法实现。本研究所用方法的关键点在于，利用“one-to-broadband”点扩展函数（PSF）映射方案，可以从给定波长λ处的单色衍射图案Im的单次捕获中获得波长λ处的每个单波长衍射剖面Iλ（如图1a）。利用这些信息，就可以通过单次宽带衍射结合相应的PSF重建输入光谱。

图1 基于“one-to-broadband”衍射的计算光谱仪

为了展示所提出光谱仪的性能，研究人员使用超连续光源（YSL Photonics SC-Pro-M）和用于调制入射光谱形状的一组光学滤波片（Thorlabs F系列），进行了一系列实验验证。图2显示了通过PSF映射实现宽带衍射的叠加。图3显示了上述过程重建的5个任意光谱（红色曲线）与商用光谱仪相应测量结果（黑色曲线）的对比情况。

图2 通过PSF映射的宽带衍射叠加

图3 重建光谱（红色曲线）与商用光栅光谱仪（Horiba iHR550）测量结果（黑色曲线）的比较

在实际应用中，重建的光谱通常对色散器件的衍射效率更为敏感。因此，研究人员采用Φ20 μm针孔和Φ100 μm西门子星（Siemens star）分别作为衍射色散器进行了进一步验证，结果如图4所示。

图4 衍射色散器的衍射效率提高了光谱测量的质量

最后，研究人员实现了宽带无透镜成像的奇特应用，从而展示了新型光谱仪在实际应用中的应用前景。图5显示了宽带相干衍射成像（CDI）的实验设置，以及利用所开发的方法与基于传统相位恢复技术分别重建的结果比较。

图5 利用本研究所提出的衍射计算光谱仪的宽带CDI的典型应用

综上所述，这项研究提出了一种基于“one-to-broadband”衍射的计算光谱仪的创新方案，采用简化的任意形状衍射微结构作为色散器，使其实现超紧凑、低成本等特性，为单次光谱测量铺平了道路。与其它计算光谱仪设计的不同之处在于，该光谱仪基于预捕获的相干单色衍射的单次PSF映射，从而生成全光谱响应函数，既无需预编码设计和高精度复杂的制造工艺，也无需全光谱响应函数校准。因此，凭借其原理通用性、结构简单、尺寸紧凑等优势，该方法具备微型化、低成本以及芯片实验室（lab-on-chip）集成的特点，在宽带光谱测量和计算成像领域具有广阔的应用前景。

审核编辑：刘清