復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系梅永豐課題組設(shè)計(jì)出一種可晶圓級(jí)生產(chǎn)的人工智能自適應(yīng)微型光譜儀

2024-10-13 14:22:34來源：復(fù)旦大學(xué) 閱讀量：31 評(píng)論

導(dǎo)讀：近年來，依賴人工智能算法的微型化重構(gòu)光譜儀打破了香農(nóng)-內(nèi)斯特采樣極限，在機(jī)器視覺、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　光的波長探測在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中具有重要作用。傳統(tǒng)上，該過程依賴于將分光元件與光機(jī)械設(shè)備結(jié)合使用，這不僅增加了探測系統(tǒng)的復(fù)雜性和體積，還大幅提高了成本。近年來，依賴人工智能算法的微型化重構(gòu)光譜儀打破了香農(nóng)-內(nèi)斯特采樣極限，在機(jī)器視覺、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

　　日前，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系、智慧納米機(jī)器人與納米系統(tǒng)國際研究院梅永豐教授課題組在《美國科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America)上發(fā)表題為《CMOS工藝兼容、集成自參考法布里-佩羅諧振腔的計(jì)算重構(gòu)光譜儀》(“CMOS-Compatible Reconstructive Spectrometers with Self-Referencing Integrated Fabry-Perot Resonators”)的研究成果。該成果還被選為當(dāng)期封面文章高亮報(bào)道。

　　團(tuán)隊(duì)提出了一種新型微型化重構(gòu)光譜儀設(shè)計(jì)，這一設(shè)計(jì)結(jié)合了傳統(tǒng)光譜儀和計(jì)算重構(gòu)光譜儀各自的優(yōu)勢，通過集成的自參考窄帶濾波通道，使得人工智能算法可以在更高維度的參數(shù)空間進(jìn)行光譜和算法參數(shù)的同時(shí)搜索(圖2A-C)。同時(shí)，該光譜儀可以通過成熟的集成電路工藝進(jìn)行晶圓級(jí)制造(圖2D)，并具有毫米級(jí)尺寸，足以勝任大部分微型化光譜測試需求(圖2E)。該光譜儀在整個(gè)可見光波段(400-800 nm)表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)能力(圖2F)，可達(dá)到約2.5 nm 的分辨率、約0.27 nm的平均波長偏差、高達(dá)5806的分辨力，以及約0.46%的分辨率與帶寬比，性能接近商用光纖光譜儀，但成本和體積大幅減少。

　　圖2. 晶圓級(jí)制備的自適應(yīng)微型光譜儀：(A)傳統(tǒng)光譜儀工作原理；(B)典型重建型光譜儀工作原理；(C)自適應(yīng)光譜儀工作原理：算法在比一般重構(gòu)算法更高維的參數(shù)空間中識(shí)別全局最小成本函數(shù)；(D)微型光譜儀的晶圓級(jí)制造(比例尺為1 cm)；(E)指尖上的微型光譜儀成品；(F)微型光譜對(duì)可見光波段內(nèi)準(zhǔn)單色光的重構(gòu)效果。

　　團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步演示了該自適應(yīng)微型光譜儀在結(jié)合微流控及機(jī)械掃描系統(tǒng)后，在透射、吸收和光致發(fā)光光譜測量等常見實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的表現(xiàn)，其結(jié)果與商業(yè)化光纖光譜儀基本一致(圖3A-F)。此外，團(tuán)隊(duì)展示了自適應(yīng)微型光譜儀在高光譜成像中的應(yīng)用前景，為進(jìn)一步發(fā)掘該微型光譜儀的CMOS工藝兼容性，將其作為高光譜相機(jī)的單個(gè)像素的應(yīng)用打下了基礎(chǔ)(圖3G-H)。

　　圖3. 微型光譜儀的應(yīng)用：(A)微型透射-吸收光譜測試示意圖；(B-C)對(duì)維生素B的(B)透射光譜和(C)吸收光譜重構(gòu)結(jié)果；(D)微型光致發(fā)光光譜測試示意圖；(E)羅丹明B的光致發(fā)光譜重構(gòu)結(jié)果；(F)石墨烯量子點(diǎn)的光致發(fā)光譜重構(gòu)結(jié)果；(G)高光譜成像演示示意圖；(H)在不同波長下重建的高光譜圖像。

　　由于光譜形貌的多樣性以及信號(hào)稀疏性假設(shè)，以往報(bào)道的重構(gòu)式微型光譜儀通常需要人工校準(zhǔn)算法參數(shù)，否則待測光譜的還原結(jié)果可能會(huì)失真。該自適應(yīng)光譜儀通過集成法布里-佩羅窄帶濾波通道，引入了一組在固定波長位置上具有較低分辨率但高度準(zhǔn)確的自參考光譜信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)算法重構(gòu)信號(hào)的引導(dǎo)和校正，從而在無需人工干預(yù)的情況下，依然能夠提供高分辨率且穩(wěn)定的光譜探測結(jié)果。

　　綜上所述，該研究為實(shí)現(xiàn)具有通用性與高魯棒性的微型重構(gòu)光譜儀提供了新的思路，有望借助成熟的CMOS集成電路工藝，推動(dòng)微型光譜探測系統(tǒng)融入CIS圖像模組，從而優(yōu)先應(yīng)用于移動(dòng)便攜式測量、車載機(jī)器視覺和分布式監(jiān)測系統(tǒng)等領(lǐng)域。

　　尤淳瑜博士為第一作者，梅永豐教授為通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目的資助和支持，部分實(shí)驗(yàn)在復(fù)旦大學(xué)微納加工與器件公共實(shí)驗(yàn)室開展。

上一篇：西安交大科研團(tuán)隊(duì)在高比能鋰金屬電池領(lǐng)域取得新進(jìn)展

下一篇：環(huán)保新質(zhì)生產(chǎn)力 | 十五里河流域治理一期優(yōu)化設(shè)計(jì)-建設(shè)-運(yùn)營工程一標(biāo)段

版權(quán)與免責(zé)聲明：1.凡本網(wǎng)注明“來源：興旺寶裝備總站”的所有作品，均為浙江興旺寶明通網(wǎng)絡(luò)有限公司-興旺寶合法擁有版權(quán)或有權(quán)使用的作品，未經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)不得轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用上述作品。已經(jīng)本網(wǎng)授權(quán)使用作品的，應(yīng)在授權(quán)范圍內(nèi)使用，并注明“來源：興旺寶裝備總站”。違反上述聲明者，本網(wǎng)將追究其相關(guān)法律責(zé)任。 2.本網(wǎng)轉(zhuǎn)載并注明自其它來源（非興旺寶裝備總站）的作品，目的在于傳遞更多信息，并不代表本網(wǎng)贊同其觀點(diǎn)或和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)，不承擔(dān)此類作品侵權(quán)行為的直接責(zé)任及連帶責(zé)任。其他媒體、網(wǎng)站或個(gè)人從本網(wǎng)轉(zhuǎn)載時(shí)，必須保留本網(wǎng)注明的作品第一來源，并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。 3.如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)等問題，請(qǐng)?jiān)谧髌钒l(fā)表之日起一周內(nèi)與本網(wǎng)聯(lián)系，否則視為放棄相關(guān)權(quán)利。

我來評(píng)論

昵稱驗(yàn)證碼匿名