由于傳統的光譜儀體積龐大而不符合很多實際應用場景，因此將光譜儀微型化以用于緊湊且經濟型移動平臺是當前光譜學研究的一項主要挑戰。現有的微型化設計主要依賴于納米光子結構的預校準響應函數，以編碼探測器陣列在快照中捕獲的光譜信息。精確的光譜重建是通過計算技術實現的，但這需要精確的器件設計、高精度的制造工藝和校準共同配合。

據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學智能制造裝備與技術全國重點實驗室的科研團隊在Light: Science & Applications期刊上發表了以“Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer”為主題的論文。該論文的第一作者為陳創創，通訊作者為劉世元教授和谷洪剛副教授。

這項研究提出了一種超簡化的計算光譜儀，它采用一種僅依賴于衍射輻射光譜的數值正則化變換所促進的“單波長-寬帶光譜（one-to-broadband）”衍射分解策略。該設計的主要特點在于使用了一種簡單、任意形狀的針孔作為部分色散器，避免了復雜的編碼設計和全光譜校準。

如果已知單色衍射的所有光譜分量，就有可能從寬帶衍射圖中重建光譜，這可以被視為一種不適定的多元線性方程（MLE）。這意味著，只有將不同波長的每個單色衍射的透射系數預先表征為編碼信息，才能計算出輻射光譜。然而，這種校準過程通常很繁瑣，有時甚至在實際應用中無法實現。本研究所用方法的關鍵點在于，利用“one-to-broadband”點擴展函數（PSF）映射方案，可以從給定波長λ處的單色衍射圖案Im的單次捕獲中獲得波長λ處的每個單波長衍射剖面Iλ（如圖1a）。利用這些信息，就可以通過單次寬帶衍射結合相應的PSF重建輸入光譜。

圖1 基于“one-to-broadband”衍射的計算光譜儀

為了展示所提出光譜儀的性能，研究人員使用超連續光源（YSL Photonics SC-Pro-M）和用于調制入射光譜形狀的一組光學濾波片（Thorlabs F系列），進行了一系列實驗驗證。圖2顯示了通過PSF映射實現寬帶衍射的疊加。圖3顯示了上述過程重建的5個任意光譜（紅色曲線）與商用光譜儀相應測量結果（黑色曲線）的對比情況。

圖2 通過PSF映射的寬帶衍射疊加

圖3 重建光譜（紅色曲線）與商用光柵光譜儀（Horiba iHR550）測量結果（黑色曲線）的比較

在實際應用中，重建的光譜通常對色散器件的衍射效率更為敏感。因此，研究人員采用Φ20 μm針孔和Φ100 μm西門子星（Siemens star）分別作為衍射色散器進行了進一步驗證，結果如圖4所示。

圖4 衍射色散器的衍射效率提高了光譜測量的質量

最后，研究人員實現了寬帶無透鏡成像的奇特應用，從而展示了新型光譜儀在實際應用中的應用前景。圖5顯示了寬帶相干衍射成像（CDI）的實驗設置，以及利用所開發的方法與基于傳統相位恢復技術分別重建的結果比較。

圖5 利用本研究所提出的衍射計算光譜儀的寬帶CDI的典型應用

綜上所述，這項研究提出了一種基于“one-to-broadband”衍射的計算光譜儀的創新方案，采用簡化的任意形狀衍射微結構作為色散器，使其實現超緊湊、低成本等特性，為單次光譜測量鋪平了道路。與其它計算光譜儀設計的不同之處在于，該光譜儀基于預捕獲的相干單色衍射的單次PSF映射，從而生成全光譜響應函數，既無需預編碼設計和高精度復雜的制造工藝，也無需全光譜響應函數校準。因此，憑借其原理通用性、結構簡單、尺寸緊湊等優勢，該方法具備微型化、低成本以及芯片實驗室（lab-on-chip）集成的特點，在寬帶光譜測量和計算成像領域具有廣闊的應用前景。

審核編輯：劉清