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前沿: OEE | 基于超构表面的光谱成像及应用研究进展【南京大学王漱明教授团队】

两江科技评论

2023-12-08

导读：南京大学王漱明教授团队基于不同原理从超色散、窄带滤波和宽带滤波这三个方面重点介绍了多种机理

光电工程

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南京大学王漱明教授团队基于不同原理从超色散、窄带滤波和宽带滤波这三个方面重点介绍了多种机理的超构表面光谱成像，然后回顾了基于超构表面光谱成像的应用，总结了目前超构表面光谱成像的工作，并对未来发展方向进行了展望。

文章 | 万源庆，刘威骏，林若雨，等. 基于超构表面的光谱成像及应用研究进展[J]. 光电工程，2023，50(8): 230139.

第一作者：万源庆

通信作者：王漱明

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研究背景

光不仅是人类观察客观世界的重要媒介，还承载着丰富的信息和能量传递功能。光束携带的信息包括在时域、频域以及空间的分布特征，人眼能直观感知的颜色和强度只是其中的一部分，其他隐含信息往往需要借助仪器来进行观测。物体的光谱特征是由其分子和原子组成决定的，因此光谱是物质的固有特征，通过分析光谱可以揭示物质的化学组成成分，这在材料分析、食品安全、医学诊断和生物成像等领域有广泛的应用。然而，传统的光谱仪使用基于棱镜的分光原理，由于衍射的限制，分辨率与光程长度成反比，不适合小型化，导致占地面积大且成本昂贵。

作为由亚波长小单元组成的大面积纳米结构，超构表面具有可塑性强、灵活度高、易集成的特点。通过设计优化共振相位、传输相位和几何相位，超构表面可以有效调制入射光的光学参数，如振幅、相位和偏振。由于超构表面在光场调控方面表现出的优异性质，因此可以实现传统折射或衍射光学难以实现的复杂功能，如全息显示、消色差透镜、光加密通信技术和隐形斗篷。相比三维超构材料，超构表面具有更小的损耗和更高的集成度优势。此外，还可以通过如光刻或电子束刻蚀的纳米材料制造方法相对容易地获得，这对实现紧凑型光谱仪和光谱成像具有重要的意义。

关键进展

南京大学王漱明教授团队在《光电工程》2023年第8期“超表面光场调控”专题上发表了题为“基于超构表面的光谱成像及应用研究进展”的特邀综述。该综述主要基于不同原理，从超色散、窄带滤波和宽带滤波这三个方面重点介绍了多种机理的超构表面光谱成像，然后回顾了基于超构表面光谱成像的应用。最后，对目前超构表面光谱成像工作进行了总结并对未来发展方向进行了展望。

首先介绍了基于超色散机理的超构表面光谱成像，以离轴超透镜为例，阐述了基于超色散机理的光谱成像的原理，通过这种机理得到的光谱分辨率较高。此外，折叠式超构表面可以在采集光谱信息的同时，通过扫描的方式同时兼顾三维空间分辨率，并且可以极大地缩小光谱仪器的体积。2022年，南京大学科研团队提出了一种快照式超紧凑光谱光场成像(spectral light-field imaging，简写为SLIM)，仅需使用一次快照就可以同时获得光谱信息和空间信息。在SLIM系统中，为了同时获得高光通量、高空间分辨率和高光谱分辨率，不可避免地会捕获带有光谱和空间混叠的图像，因此他们引入了光谱重建算法，对优化问题进行求解即可获取场景中每个位置的光谱信息，重建结果如图1(b)所示。

图1 (a)折叠超构表面示意图；(b)SLIM系统中光谱重建算法的数值模拟结果；(c)高光谱成像系统的光学架构示意图；(d)色散实验的装置和实验结果的拼接图

利用滤波进行光谱探测是实现光谱成像的另一种方案，通过将针对不同频率光的滤光片阵列排列，并与CCD或CMOS进行集成，可以直接获得物体的光谱信息。近十几年来，随着制作滤波器的材料范围扩大和工艺技术提升，基于窄带滤波的光谱仪展现出了巨大的光谱成像潜力。根据滤波的方式，窄带滤波器可分为透射型滤波、吸收型滤波和反射型滤波。基于窄带滤波机理的超构表面光谱成像的分辨率直接由滤波片的性能决定，因此，目前大部分科研人员致力于研究出透射率更高、半峰全宽(FWHM)更窄的窄带滤波片。

图2 基于透射型超构表面的光谱成像。(a)集成滤波阵列组成的紧凑型光谱仪；(b)具有不同纳米柱宽度的一组滤波器模拟透射光谱；(c)超构表面快照光谱成像仪的示意图；(d)多光谱拼接滤波器生成过程示意图；(e)未知源入射功率的目标检测策略框图

不同于上述两种机理，基于宽带滤波机理的超构表面光谱成像可以较好地综合光谱分辨能力和光利用率，高分辨率和易于集成化的微型成像系统使其在光谱成像领域中占领着重要的位置。通过宽带滤波实现光谱成像有两个重要的步骤：第一步是获得随机分布的宽光谱曲线，第二步是利用算法重建光谱。由于欠定方程求解的特殊性，一般来说光谱响应曲线特征越明显，光谱重建能力越高。目前使用较多的算法有最小二乘法、Tikhonov正则化、压缩感知以及基于神经网络的深度学习方法。

图3 光谱重建算法。(a)光谱重建系统示意图；(b)宽带光谱的重建结果：(c)基于CS理论的窄带光谱重建结果；(d)参数约束光谱编码器和解码器的设计框架；(e)基于深度学习的重建结果

文章最后介绍了基于超构表面的光谱成像在实际场景中的应用情况。与传统光谱仪相比，基于超构表面的光谱成像系统因其超高光谱分辨率、空间占用体积小和易与CMOS传感器直接集成等优点，在生物传感、实时生物医学动态光谱探测、遥感、医学诊断和人脸识别等领域都有着广泛的应用前景。

总结与展望

综上所述，由于超构表面可以很容易地集成到二维平面中，因此基于超构表面的光谱成像对实现紧凑型光谱仪有着重要的意义。通过分析还可以客观地看到，基于超构表面的光谱成像目前还存在一些瓶颈，主要包括：1)超色散的原理限制了集成化；2)窄带滤波对工艺技术的要求较高；3)宽带滤波需要复杂的重建算法。虽然基于超构表面的光谱成像还存在上述的一些不足，但随着技术的发展和研究的进一步深入，光谱重建算法的效率将得到进一步优化，制造工艺的精度也将得到提升，我们相信未来能突破现存的瓶颈，实现真正意义上的高分辨紧凑型光谱仪。

该工作获得国家自然科学基金资助项目 (11834007)资助。

研究团队简介

王漱明，南京大学物理学院教授、博导。目前从事超构表面、微纳光学，量子光学和非线性光学等方面的研究。国家杰出青年科学基金获得者。第四届江苏青年光学科技奖获得者。研究成果两次获得中国光学十大进展(2018，2020)。在 Science，Nature Nanotechnology，Nature Communications，Physical Review Letters等学术刊物上发表论文 80 余篇，总引用次数超过 3000 次。

课题组现有博士、硕士研究生以及本科生30余名。形成了一支结构合理、创新能力强和实践经验丰富的研究团队。主要研究成果有超构表面成像系统，超构表面新器件，超构表面量子光学系统以及拓朴光子学等。其中超构表面消色差成像研究的成果被《中国科学报》报道，并入选中国百篇最具影响国际学术论文名录。作为国家重点研发计划“量子调控与量子信息”专项“人工微结构中的量子、类量子效应及功能集成光子芯片”项目的代表成果参加了国家“十三五”科技创新成就展。课题组紧密围绕国家战略需求、新兴产业发展以及功能材料科学发展前沿，承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目等多项科研任务。

王漱明教授团队合照

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