鄭麒麟，文 龍，陳 沁

基于散斑檢測的微型計算光譜儀研究進展

鄭麒麟，文 龍，陳 沁*

暨南大學納米光子學研究院，廣東 廣州 510632

光譜分析技術具有快速、準確和綠色檢測的特點，在科學研究、信息、生物醫(yī)療、食藥檢測、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和安防等領域有廣泛而且重要的應用。然而現(xiàn)有光譜技術與檢測設備通常較為龐大復雜，難以適合現(xiàn)場快檢、輕載荷平臺等便攜式應用場景。近年來，微型光譜檢測技術和設備受到廣泛關注并得到迅速發(fā)展，具有尺寸、重量、功耗等方面的顯著優(yōu)勢，尤其是基于散斑檢測的計算光譜分析技術，可以通過記錄分析散射元件對被測光形成的散斑圖獲得高精度的光譜信息。本文將介紹相關技術原理和技術發(fā)展現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有技術性能和優(yōu)缺點，討論并總結(jié)未來發(fā)展方向和應用前景。

光譜；散斑；微型光譜儀；壓縮感知

1 引 言

光是一種電磁波，具有豐富的頻率信息。不同物質(zhì)根據(jù)其化學成分和相對含量的不同，呈現(xiàn)出不同的光譜特征。光譜分析技術通過發(fā)射、吸收和散射光譜等方法實現(xiàn)準確迅速的非接觸式傳感檢測，因此在生物化學傳感和材料分析等方面具有顯著優(yōu)勢，廣泛應用于科學研究、生物醫(yī)療、食藥檢測、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和安防等領域[1]。光譜分析的設備，按工作波段，有紫外-可見光譜儀、紅外光譜儀、太赫茲光譜儀等[2-4]；按工作原理，有色散型光譜儀和傅里葉變換型光譜儀等[5-6]。這些光譜儀都包括光束控制單元、頻譜分光單元或干涉單元、光電探測單元等，因此常規(guī)的光譜分析設備體積大、質(zhì)量重、成本高、操作復雜，基本上集中在實驗室環(huán)境使用，難以滿足現(xiàn)場快檢、輕載荷平臺和可穿戴等便攜式應用場景的技術需求[7-9]。

微納加工技術的快速發(fā)展和新型微納光電器件的不斷涌現(xiàn)，促使光譜分析設備在小型化的道路上穩(wěn)步向前，從小型化到微型化到芯片化，體現(xiàn)出體積、重量、集成性、成本等優(yōu)勢，尤其與云端技術和大數(shù)據(jù)技術的結(jié)合，有望改變現(xiàn)有光譜分析技術受限于使用環(huán)境的瓶頸問題。近年來，學術界已經(jīng)展示了光譜分辨率小于1 nm的毫米級尺寸的微型光譜儀，技術途徑包括量子點濾波器陣列[10]、超材料濾波器陣列[11-12]、陣列波導光柵[13]、無序散射結(jié)構(gòu)[14]、單根組分漸變的納米線[15]等。產(chǎn)業(yè)界如濱松、IMEC等推出了反射光柵微型光譜儀、多層膜濾波器陣列光譜成像芯片等多種商品[16-17]。因此，及時梳理技術發(fā)展現(xiàn)狀和走勢，討論技術優(yōu)缺點和未來發(fā)展方向，對于此新興領域具有積極作用[18]。目前已有不少優(yōu)秀的綜述文獻[19-21]，側(cè)重點各有不同。本文將聚焦基于散斑檢測的色散型微型光譜分析技術[22-27]，相關設備同時擁有小尺寸和高分辨率的優(yōu)勢，而且由于散射體的制備相比于各種嚴格設計的微納結(jié)構(gòu)或者組分不同的材料而言更為簡單和低成本，因此是一類極具應用潛力的微型光譜分析技術。本文首先介紹各類色散型微型光譜分析技術，重點說明基于散斑檢測的微型計算光譜技術原理，然后梳理此技術的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析討論相關技術特點，最后總結(jié)現(xiàn)有問題和未來的發(fā)展重點。

2 色散型微型光譜分析技術分類與工作原理

常見的色散型微型光譜分析技術就是利用微型色散元件將不同波長的光進行空間上的分離，然后由探測器分別讀出不同波長的光強度，最后組合成完整的光譜[28]。從技術原理上看，主要包括刻蝕衍射光柵[29]、陣列波導光柵[13]、濾波器陣列[30]、掃描光柵[31]等，其中前三類屬于快照式的光譜分析，需要探測器陣列，最后一類屬于掃描式的，依次在單個探測器上讀出不同波長的信號。無論哪種技術，其核心在于如何在有限空間內(nèi)進行有效的分光，其色散的空域和頻域效率也決定了系統(tǒng)的光譜分辨率。一般而言，一個測量波長范圍為Δ，測量通道數(shù)為(如探測器單元數(shù))的光譜儀，其最高光譜分辨率為Δ/，但借助于壓縮感知算法，分辨率可以進一步提高[32]。對于前述各類光柵型光譜儀而言，如果系統(tǒng)光路的光程大小不足以將不同波長的光衍射到相應的探測器單元，那么分辨率就相應地下降，因此高分辨率的光譜儀往往需要大陣列探測器和大尺寸密集光柵等。而對于基于濾波器陣列的光譜儀而言，就需要大陣列和窄帶的透射濾波器。這些技術要求不僅對各器件設計和加工技術本身提出了挑戰(zhàn)，還顯著增加了系統(tǒng)尺寸和成本，因此微型光譜儀一直面臨著性能和便攜性之間的矛盾問題。IMEC最近推出的芯片型光譜儀，基于像元級集成的多層膜濾波器技術，雖然實現(xiàn)了極致的小型化，光譜分辨率也滿足一般需求，但不同透射波長的濾波器單元需要不同的圖形化和薄膜沉積工藝步驟依次制備，大幅增加了加工難度和成本，也限制了單元尺寸的進一步縮小，從而限制了陣列規(guī)模[16]。

圖1 散斑檢測的微型計算光譜儀原理圖。(a) 入射光經(jīng)過散射元件后在探測器陣列上形成散斑分布的示意圖；(b) 基于映射矩陣的待測光譜重構(gòu)原理示意圖

對比前述光柵型和濾波器陣列型微型光譜儀，這種基于散斑檢測的計算光譜技術具有如下優(yōu)點：1) 更小體積、更高精度、更大工作波長范圍。光散射過程具有比衍射過程有更大的有效光程，因此在小尺寸內(nèi)可以獲得更大的相位延遲，即可實現(xiàn)更高的分辨率，同時這個光程增強效應不同于諧振腔而是一個寬帶效應。2) 光譜測試范圍可以不連續(xù)。相比于光柵的空間連續(xù)分光，這種散斑檢測機制中定標波段決定了后續(xù)測試可以準確重構(gòu)的光譜范圍，因此可以靈活選擇工作波段，更有效利用探測器資源。同樣，對于一個完整光譜范圍定標的同一個色散元件，通過選配不同的探測器，可以靈活地工作在可見和紅外等不同應用場景。3) 低成本。這里的色散元件可以是一塊磨砂毛玻璃、化學合成或退火形成的微納顆粒等，利用計算資源替代了昂貴的硬件需求，因此非常適合低成本便攜式光譜儀的需求。需要注意的是，這種散斑檢測的光譜分析技術不同于編碼孔徑光譜儀[44]，后者依然還是光柵型光譜儀的技術原理，只是利用占空比更高的編碼孔徑來代替狹縫，從而增大入射光通量。

根據(jù)產(chǎn)生散斑的光學架構(gòu)差異，可以把基于散斑檢測的光譜分析技術分為波導型和空間型兩大類。波導型包括多模光纖[45]、多模波導[46]和光子晶體[47]等結(jié)構(gòu)，其中多模光纖/波導支持多個傳輸模式，每個模式具有不同的相速度，傳輸過程中不同模式積累了不同的相位，并在輸出端通過干涉形成一定光強度分布，不同波長對應的模式分布不同，相位延遲不同，造成光強度分布就不同，從而形成了波長相關的散斑[45,48]。不依賴波導結(jié)構(gòu)中的模式干涉，平面內(nèi)的散射體同樣可以形成與波長相關的面內(nèi)光場分布[46-47]?？臻g型包括納米顆粒[2]、微米孔[49]和磨砂玻璃[14]等無序微納結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)對不同波長入射光的散射也會形成散斑分布。

3 基于散斑檢測的微型計算光譜儀的發(fā)展現(xiàn)狀

散斑現(xiàn)象曾經(jīng)被用于光源線寬[50-51]、應力[52-53]、表面粗糙度[54]等物理量的測量。實際上散斑包括更豐富的頻譜信息，無論是平面內(nèi)傳輸?shù)墓膺€是自由空間傳輸?shù)墓舛寄軌蛐纬膳c波長相關的穩(wěn)定光場分布，即散斑提供了一種頻域-空域的映射關系?；谶@種映射關系，近年來被應用到集成式的光譜分析技術中[19,27]。下面我們按波導型和空間型兩種架構(gòu)分別介紹基于散斑檢測的微型光譜分析技術的發(fā)展現(xiàn)狀。

3.1 波導型微型光譜儀

波導中的散斑源于波導中的模式干涉。片上的光波導和光纖都屬于波導結(jié)構(gòu)，橫向尺寸越大的波導支持越多的橫模，其相互間的干涉就產(chǎn)生了橫截面內(nèi)特定的模場分布[34-55]。此外，平面無序納米結(jié)構(gòu)對面內(nèi)傳輸?shù)墓庖伯a(chǎn)生散射，不同波長的光經(jīng)過不同的散射路徑在面內(nèi)形成特定的強度分布，并在面內(nèi)形成穩(wěn)定的光場分布[47]。這些散斑分布可以用片上集成的探測器陣列或者片外的相機記錄下來，用于光譜的重構(gòu)。

3.1.1 基于多模光纖的微型光譜儀

本節(jié)介紹的微型光纖光譜儀不同于海洋光學等公司的光纖光譜儀產(chǎn)品，這些商品中的光纖僅作為導光介質(zhì)；而在本節(jié)介紹的基于散斑檢測的微型光纖光譜儀中光纖不僅是用于傳輸光，還通過光纖內(nèi)模式干涉產(chǎn)生散斑，作為替代光柵的色散元件。Cao等人用5 m長的多模光纖在1.5 μm波長附近展示了5 nm波長范圍內(nèi)0.03 nm的光譜分辨率，信噪比高達1000[45]。他們采用的芯徑105 μm、數(shù)值孔徑0.22的多模光纖，這種光纖在1.5 μm波長附近可以支持高達1000個傳輸模式。不同的模式具有不同的相速度，因此輸出端的散斑可以看作是這些具有不同延遲相位的模式分布的疊加。固定傳輸距離即光纖長度的情況下，不同波長的光必然導致不同的模式間相位差，從而改變輸出端的散斑分布。如圖2(a)所示，波長差小于0.1 nm的兩束單色光產(chǎn)生了不同的散斑，而且光纖越長散斑的相關度越低，光譜分辨率就越高，其中5 m長的多模光纖對應的散斑自相關函數(shù)半高寬為0.021 nm，因此分辨出間距0.03 nm的兩條譜線。他們隨后采用20 m和100 m長度的多模光纖分別成功分辨了波長間距8 pm[22]和1 pm[56]的激光譜線，這個性能指標已經(jīng)接近甚至超過了當前的光柵光譜儀[57]。為了提高系統(tǒng)的集成度，Cao等人通過將前述多模光纖色散元件與光頻梳光源集成，實現(xiàn)了全光纖系統(tǒng)(探測器外置)，并利用100 m長的多模光纖在1.5 μm波段展示了7 nm工作波長范圍內(nèi)1 pm的光譜分辨率[58]。除了光譜分辨率，工作波長范圍也是光譜儀的一個重要指標，前述系統(tǒng)的工作波長范圍都非常小(<10 nm)，應用局限性較大。Cao等人用4 cm的多模光纖在400 nm~750 nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了1 nm的光譜分辨率[56]。雖然工作波長范圍增大，但光譜分辨率變差?？梢钥吹?，這種基于散斑檢測的微型光譜儀體系存在光譜分辨率和工作波長帶寬這兩個指標間的矛盾問題。從物理上看，光譜分辨率主要由散射光路的縱向光程決定，而工作波長帶寬主要由散射光路的橫向尺寸決定(即模式容量)。增加光纖長度可以提高光譜分辨率，但同時增加了系統(tǒng)的尺寸和穩(wěn)定性。利用更大截面尺寸的多模光纖原則上可以獲得更多模式，即更多的空間通道數(shù)，但不同模式的散斑對比度會隨著模式數(shù)的增加而下降，而且大的芯徑會造成光功率密度的下降，導致光譜分辨率會受限于信噪比[51]。

為了同時獲得高光譜分辨率和大工作波長范圍，Cao等人進一步利用波分復用技術將一個寬帶入射光以不同波段分到多根2 m長的多模光纖，如圖2(b)所示，相機同時記錄了不同波段對應的所有多模光纖的散斑，這樣就保證在每個散斑圖樣包括的頻譜通道數(shù)不變(即對比度不變)的情況下增加頻譜總通道數(shù)，從而同時獲得高光譜分辨率和更大的工作波長范圍，最終實現(xiàn)了1520 nm~1620 nm波長范圍內(nèi)高達0.03 nm的光譜分辨率[48]。不同于Cao等人的波分(分波段)加空分(多個色散元件)的技術方案，Li等人提出空分(多芯光纖)加時分(時序耦合)的技術方案[59]。如圖2(c)所示，在輸入端利用光開關陣列將入射光依次耦合到多芯光纖(7芯，芯徑8.4 μm，芯間距42 μm)的不同纖芯中，并與多模光纖(芯徑105 μm，長度5 m，=0.22)耦合，由于不同輸入光纖的位置引起不同的散斑，因此在保證原有散斑對比度的情況下增加了空間通道數(shù)，從而同時獲得高光譜分辨率和更大的工作波長范圍，最終實現(xiàn)了1530 nm~1560 nm波長范圍內(nèi)0.02 nm的光譜分辨率。這個結(jié)果也進一步說明這種基于散斑測試的微型光譜儀在利用單模光纖作為前端輸入的情況下具有優(yōu)異的魯棒性。需要注意的是，雖然不同纖芯輸入提供了更多的獨立散斑分布，但因為不同波段對應的散斑在同一空間位置呈現(xiàn)，對比度依然會受到一定影響，可以看到其散斑的譜相關函數(shù)并沒有隨著波長的偏移單調(diào)減小，這將最終影響其光譜分辨率。不管是哪種復用方式，其性能提升的同時都增加了系統(tǒng)復雜性，并降低了便攜性和實時性。Englund等人采用了一種不同的散斑測量方法[60]，如圖2(d)所示，他們采用非絕熱式拉錐的5 mm長的多模光纖，從側(cè)面拍攝拉錐光纖的泄漏膜形成的散斑，分別展示了634.8 nm~639.4 nm和1500 nm~1580 nm兩個波長范圍內(nèi)40 pm和10 pm的光譜分辨率，并認為在500 nm~1600 nm整個波段都具有高分辨率。他們認為這種拉錐形貌形成了光纖中非均勻的模式色散，并沿著拉錐方向?qū)δＪ礁缮鎱?shù)微擾，因此提高了大波長范圍內(nèi)的散斑對比度。不過這種對拉錐光纖泄漏模的成像架構(gòu)也導致了整個系統(tǒng)的光學效率不高，僅有1%的入射光被探測，導致系統(tǒng)的信噪比有限。

圖2 多模光纖的微型光譜儀示意圖。(a) 不同波長入射光在5 m長多模光纖出射端的散斑分布、譜自相關函數(shù)和窄帶激光譜線測試結(jié)果[45]；(b) 基于七根多模光纖波分復用的光纖微型光譜儀和100 nm寬帶范圍的光譜測試結(jié)果[48]；(c) 基于光開關空分復用的光纖微型光譜儀、譜自相關函數(shù)和窄帶激光譜線測試結(jié)果[59]；(d) 基于拉錐光纖的光纖微型光譜儀、不同波長散斑分布和窄帶激光譜線測試結(jié)果[60]

除了上述多模光纖模式干涉的技術方案，基于光纖體系還有其他一些通過散斑檢測來進行光譜分析的方法。Dogariu等人在光纖束的端面上涂敷二氧化硅微球來產(chǎn)生散斑[61]，這些隨機分散的微球相對于光纖束中每根纖芯的位置不同，因此每根光纖都具有不同的頻率和偏振響應，在光纖束另一端面用CCD相機記錄下散斑分布，他們重構(gòu)出的光譜的均方根誤差在1%以內(nèi)。Skorobogatiy等人采用10×10個具有Bragg光柵的光子晶體光纖組成光纖束[62]，不同頻譜分布的入射光在光纖束的輸出端呈現(xiàn)出不同的組合圖樣，被CCD相機拍攝下來，最終在400 nm~840 nm波段獲得了約30 nm的光譜分辨率。不同于上述的基于散斑檢測的光纖光譜儀，這里的光纖中不存在多模干涉作用，輸出端的圖樣是多個分離的不同光纖由于其光子禁帶導致的傳輸模式的差異形成的，原理類似濾波器陣列體系的微型光譜儀。

3.1.2 基于平面光波導的微型光譜儀

片上波導集成的微型光譜儀通常基于刻蝕衍射光柵和陣列波導光柵等分光結(jié)構(gòu)，如前所述，這些頻譜-空間一對一映射的技術對分光效率要求非常高，微型設備尤其是片上集成體系很難實現(xiàn)高性能分光，因此限制了光譜分辨率。實際上，不完美分光的結(jié)果就是不同輸出波導位置有不同波長的光分量，即不同波長光在探測器陣列上會形成不同的分布，這些分布與波長有一一映射的關系，因此可以類似前述微型光纖光譜儀，通過解析這種映射關系把原始光譜重構(gòu)出來。

Cao等人將前述多模光纖技術移植到多模平面波導中，展現(xiàn)了更加集成化的微型光譜儀[46]。如圖3(a)所示，他們利用平面波導工藝的優(yōu)勢制備了極小間距的強耦合螺旋波導結(jié)構(gòu)，增加了光在波導中傳輸路徑的擴展，從而增加了有效光程，可以看到這種強耦合波導輸出端散斑的譜相關函數(shù)比弱耦合情況具有更高的光譜分辨率。在500 μm直徑和50 nm波導間距的螺旋波導結(jié)構(gòu)中他們實驗展示了10 pm的光譜分辨率，不過這種結(jié)構(gòu)受限于波導中導模數(shù)量(10 μm寬波導中有40個正交模式)，工作波長范圍僅有0.4 nm。為了增加帶寬，Piels等人提出了采用光開關陣列來構(gòu)建多路輸入的架構(gòu)[63]，光開工控制入射光從不同波導耦合進入多模波導，由于多模波導中模式耦合與入射光的位置相關，類似Li等人在光纖體系中運用的空分復用技術[59]，可以增加獨立的空間散斑數(shù)量，即增大工作波長范圍。如圖3(b)所示，利用級聯(lián)的2×2光開關陣列結(jié)合強耦合的螺旋波導結(jié)構(gòu)，他們在1550 nm波段實現(xiàn)了250 GHz帶寬內(nèi)2 GHz的光譜分辨率，工作波長范圍相比于沒有光開關陣列的結(jié)構(gòu)提高了一個量級。

圖3 平面條形光波導的微型光譜儀。(a) 基于多模螺旋波導的微型光譜儀示意圖、不同波長散斑分布、譜自相關函數(shù)和窄帶激光譜線測試結(jié)果[46]；(b) 基于級聯(lián)光開關陣列的光譜測試范圍擴展技術和測試結(jié)果[63]

除了上述常規(guī)的條形波導，平面工藝的優(yōu)勢使得平面導波結(jié)構(gòu)可以有更多的選擇和變化。Adibi等人展示了可見光波段的光子晶體微型光譜儀[64]，通過精細調(diào)節(jié)光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，利用超棱鏡效應獲得高效的片上色散，并利用負折射效應抑制了背景光干擾。如圖4(a)所示，由光子晶體結(jié)構(gòu)出射的不同波長光的主分量分別耦合到不同輸出錐形光波導中，但在臨近波導位置也存在一些串擾，對所有輸出波導進行成像就獲得類似散斑的圖像。他們發(fā)現(xiàn)波長間隔1.2 nm的單色光可以被分到相鄰3 μm的不同輸出波導中。隨后他們在1550 nm波段開展了類似工作，估算的光譜分辨率達到10 pm[65]。進一步，他們提出了將這種光子晶體光譜儀與微盤傳感器片上集成形成芯片實驗室的設計，并估計60 μm長的光子晶體有望實現(xiàn)5 nm的光譜分辨率[66]。除了光子晶體，Adibi還提出了基于波導耦合微盤諧振腔陣列的片上光譜分析技術，利用微盤的選頻路由作用和平面外的散斑圖像，原則上也可以實現(xiàn)光譜的測量[67]。他們在1550 nm波段實驗驗證了這種技術的可行性，如圖4(b)所示，利用面外散斑重構(gòu)出的每個微環(huán)選頻通道的波長與光譜儀直接測量的結(jié)果吻合較好，在1550 nm到1610 nm波長范圍內(nèi)獲得優(yōu)于0.6 nm的光譜分辨率[68-69]。

圖4 平面光子晶體及微環(huán)光波導的微型光譜儀示意圖。(a) 基于光子晶體超棱鏡效應的微型光譜儀示意圖和不同波長在輸出波導處形成的散斑分布[65]；(b) 基于微環(huán)諧振腔陣列的微型光譜儀、不同波長對應的面外散斑分布和光譜測試結(jié)果[69]；(c) 基于數(shù)字平面全息圖光譜儀示意圖、散斑分布和光譜測試結(jié)果[71]

另外，平面數(shù)字全息技術是最近興起的一種平面波導光譜分析技術，它可以實現(xiàn)各種人工設計的光傳輸功能。依照軟件生成的全息圖通過刻蝕平面波導形成類似0和1的二維空間分布，這些結(jié)構(gòu)將入射光按波長分別導引到適當?shù)奈恢?，通過相機記錄不同波長形成的散斑圖，同樣可以實現(xiàn)片上光譜分析[70]。如圖4(c)所示，Peroz等人利用這種技術展示了近紅外波段的片上全息光譜分析，相鄰輸出通道的波長間隔為0.15 nm，輸入被測激光在不同通道出射形成散斑，通過重構(gòu)獲得了與商業(yè)光譜儀類似的激光光譜，利用平面加工的優(yōu)勢他們在不到2 cm2的面積內(nèi)集成了926個通道，覆蓋148 nm的工作波長范圍[71]。

3.1.3 基于平面散射體導光結(jié)構(gòu)的微型光譜儀

除了上述規(guī)則的平面導光結(jié)構(gòu)，利用平面內(nèi)無序結(jié)構(gòu)對光的面內(nèi)散射也可以形成與波長相關的光場分布，而且其結(jié)構(gòu)尺寸的容差更大。如圖5所示，Cao等人在SOI襯底上刻蝕出無序的納米孔散射結(jié)構(gòu)，輸入波導的光進入納米孔陣列后將在其內(nèi)部多次散射，不同波長的光形成的散射路徑不同[47]。他們在無序納米孔半圓形散射體結(jié)構(gòu)的圓弧上設置了25個輸出波導，并用光子晶體結(jié)構(gòu)將散射體和輸出波導包裹起來抑制面內(nèi)背散射和波導間串擾。這樣不同波長的入射光將在輸出波導陣列中形成一一對應的散斑分布，從而可通過重構(gòu)算法獲得原始光譜。利用半徑25 μm的散射體構(gòu)建片上散斑光譜儀，在1550 nm波段獲得了0.75 nm的光譜分辨率。需要注意的是，雖然這種平面散射體導光結(jié)構(gòu)周圍用光子晶體包覆，二維仿真結(jié)構(gòu)顯示僅有60%的光傳輸?shù)教綔y器，如果考慮不可避免的面外散射，真實的光學效率遠低于3.1.1和3.1.2所介紹的規(guī)則導光結(jié)構(gòu)。

圖5 平面散射體導光結(jié)構(gòu)的微型光譜儀。(a) 基于無序光子結(jié)構(gòu)的光譜儀的SEM圖像，底部方框區(qū)域為放大的圖像，比例尺為1 μm。右邊為在1500 nmTE偏振光數(shù)值模擬結(jié)果示意圖和在1500 nm處實驗結(jié)果圖像[47]；(b) 無序光子結(jié)構(gòu)的校準矩陣[47]；(c) 基于無序光子結(jié)構(gòu)所有檢測通道上的平均光強度的光譜相關函數(shù)[47]；(d) 基于無序光子晶體結(jié)構(gòu)光譜儀的窄帶激光譜線測試結(jié)果[47]

從整體看，上述波導型的基于散斑檢測的微型光譜儀技術中，3.1.2和3.1.3介紹的技術基本都是利用散斑的一維分布，而3.1.1充分利用了二維空間的散斑分布，因此具有更佳的散斑對比度，進而可以容納更多的空間通道數(shù)，提高系統(tǒng)的光譜分辨率。

3.2 空間型微型光譜儀

空間型微型光譜儀就是入射光由色散元件平面外入射并相互作用的系統(tǒng)。這種架構(gòu)不僅避免了波導在面內(nèi)布局的限制，而且可以形成空間信息更豐富的二維散斑分布，與圖像采集設備的集成也更加直接，有望實現(xiàn)芯片化的光譜分析系統(tǒng)[72]。自由空間的散斑形成技術包括非均勻光子晶體[72]、納米顆粒[2]、磨砂玻璃[14]等[73]，入射光照射到這些結(jié)構(gòu)后由于前向或后向散射形成了波長相關的穩(wěn)定空間光場分布。

Brady等人在2003年提出了利用聚合物納米球構(gòu)建的非均勻三維光子晶體來實現(xiàn)頻譜-空間映射結(jié)構(gòu)的想法[74]。如圖6(a)所示，這種結(jié)構(gòu)的無序性增大了頻譜-空間的多相性，利用重構(gòu)算法對探測器陣列記錄散斑圖的分析，在500 nm~650 nm波長范圍內(nèi)實現(xiàn)了約5 nm的光譜分辨率。相比于3.1部分介紹的各種需要精密加工的波導結(jié)構(gòu)，這里的聚合物納米球僅需要低成本的自組裝工藝即可實現(xiàn)大面積制備。Mazilu等人采用了更為簡單的技術來制備散射結(jié)構(gòu)[75]，如圖6(b)所示，他們通過在玻璃片上滴納米氧化鋁顆粒溶液獲得散射分光結(jié)構(gòu)，在對散斑定標后，實現(xiàn)了800 nm附近單波長可調(diào)諧激光器波長的準確測定，獲得0.1 nm的分辨率。Hanson等人則用噴砂鋁板作為色散元件，通過CMOS相機記錄散斑圖案，并根據(jù)圖案間的協(xié)方差峰值位置來檢測波長變化，最終在可見光波段獲得了100 MHz的光譜分辨率[76]。

南京郵電大學的楊濤等人在基于空間散射結(jié)構(gòu)的微型光譜儀方面做了大量工作[2,4,14,19,49,77]。他們首先采用不同孔徑的金屬微米孔陣列作為色散元件，如圖7(a)所示，相鄰孔的中心間距60 μm，直徑在10 μm~20 μm之間。入射光經(jīng)過此微孔陣列后形成散斑，由于各微孔直徑不同，對不同波長的衍射角也不同，提高了散斑的對比度。在120 nm波長范圍內(nèi)用1 nm光譜精度對此色散元件的散斑定標后，對未知光譜的測試結(jié)果顯示了小于2 nm的中心波長偏移[49]。這些金屬微孔陣列是由聚焦離子束刻蝕技術在Al膜上制備的，為了進一步降低制備成本，他們嘗試用一塊毛玻璃來做色散元件[14]，這種微米級的粗糙表面同樣可以對不同波長的光通過散射和衍射過程形成不同的散斑分布，如圖7(b)所示，他們發(fā)現(xiàn)在多色散元件定標時采用更高的光譜分辨率可以提高散斑光譜儀后期測試應用時的光譜重構(gòu)精度，并實驗中區(qū)分了4 nm間隔的兩個峰。為了突破現(xiàn)有系統(tǒng)受限于可見光波段CCD的探測波長范圍，他們在CCD前面加了一塊上轉(zhuǎn)換或下轉(zhuǎn)換材料覆蓋的元件，如圖7(c)所示，上下轉(zhuǎn)換材料將紅外和紫外的入射光轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)CCD可以探測的可見光，從而獲得紫外到紅外超寬的工作波長范圍[2,77,57]。他們還利用化學合成的銀納米顆粒結(jié)合紅外顯色卡，實現(xiàn)了可見光CCD對1500 nm波段未知光譜的測試，同時利用可調(diào)諧窄帶激光器代替之前工作中的單色儀來做提高定標的光譜精度，在定標光譜精度0.02 nm情況下獲得重構(gòu)光譜分辨率約0.2 nm[2]。分別利用毛玻璃和微孔陣列結(jié)合下轉(zhuǎn)換材料，在1 pm定標光譜分辨率的情況下，實現(xiàn)對15 pm間距兩個窄激射峰的分辨。他們還發(fā)現(xiàn)毛玻璃因為具有更高的光效，作為色散元件具有更高的靈敏度和工作效率[14]。除了這種上下轉(zhuǎn)換材料結(jié)合探測器面陣的方法，這種散射結(jié)構(gòu)的光譜重構(gòu)機制還可以直接推廣到其他波段，例如太赫茲[4]。由于太赫茲波段的探測器陣列較為昂貴，楊濤等人利用電動位移臺來調(diào)制一塊粗糙表面透明版的位置和角度，通過單個探測器時分復用的方式來替代探測器陣列，最終在1 THz波段重構(gòu)光譜的峰值與原始光譜偏差小于40 GHz，他們的理論分析光譜分辨率有望進一步提高到1 GHz。

圖6 部分空間型光譜儀。(a) 基于非均勻自組裝光子晶體的微型光譜儀示意圖、散斑分布和光譜測試結(jié)果[74]；(b) 氧化鋁顆粒的SEM圖像和遠場散斑圖[75]

圖7 空間散射結(jié)構(gòu)型光譜儀。(a) 基于微米孔陣列的微型光譜儀示意圖、散斑分布和光譜測試結(jié)果[49]；(b) 基于磨砂玻璃的微型光譜儀示意圖，以及可見光和紫外波段的光譜測試結(jié)果[14]；(c) 基于磨砂玻璃的方法并結(jié)合上下轉(zhuǎn)換材料分別在紫外、可見光、紅外三個波段的光譜測試結(jié)果[77]

美國鹽湖城大學的Menon等人采用相位版來調(diào)控不同波長在空間的相位延遲分布，從而獲得與波長相關的散斑圖案[78]。如圖8(a)所示，他們利用灰度曝光技術分別在透明材質(zhì)上制備了兩類相位版，一類是刻槽深度規(guī)律變化的均勻相位版，具有64階不同刻蝕深度，一種是刻槽深度隨機分布的非均勻相位版，具有6階不同刻蝕深度。如圖所示，非均勻相位版的空間-光譜點分布函數(shù)具有更加均勻的分布，即散斑對比度更高，自相關函數(shù)預示基于非均勻相位版的散斑光譜儀具有更小的光譜分辨率。通過對激光、LED和氙燈等多種光源光譜進行測試，實驗展示了這種基于相位版的光譜重構(gòu)技術可以分辨出波長間距1 nm左右的光譜峰。雖然非均勻相位版具有更高的分辨率，但重構(gòu)的光譜噪聲明顯高于均勻相位版。這是因為散射體系由于光散射方向的不確定性，導致系統(tǒng)光效較低。為此，Cai等人提出將定向光傳輸?shù)难苌浣Y(jié)構(gòu)和無序結(jié)構(gòu)結(jié)合的技術方案。如圖8(b)所示，通過在色散元件表面制備取向隨機分布的光柵單元陣列，利用不同光柵將入射光衍射到成像面不同的地方，并一起形成散斑圖案。這樣既保證了較高的光學效率，又能夠利用無序結(jié)構(gòu)的散斑圖案特點來獲得高光譜分辨率。仿真結(jié)果顯示，在3%的幅度噪聲和均方根噪聲的影響下，此系統(tǒng)仍能夠獲得10 pm的光譜分辨率[79]。此外，土耳其伊斯坦布爾大學的Ferhanoglu等人提出了將散斑機制與現(xiàn)有商業(yè)光譜儀技術相結(jié)合的技術方案。如圖8(c)所示，通過在棱鏡光譜儀前端光路中插入散射元件，利用散斑機制提高光譜分辨率，同時利用棱鏡將不同波長的散斑圖案分開到不同空間位置，確保大的工作波長范圍。他們在實驗中嘗試了磨砂玻璃、膠帶、納米顆粒等不同散射元件，通過散斑圖案的自相關函數(shù)，計算發(fā)現(xiàn)納米顆粒的散射元件可以獲得更高的光譜分辨率(17 pm)[80]。

圖8 相位板、光柵和納米顆粒結(jié)構(gòu)型光譜儀。(a) 基于相位版的光譜分析技術：兩類相位版的槽深分布、散斑分布和對應的譜自相關函數(shù)[33]；(b) 基于無序取向的光柵單元陣列的微型光譜儀示意圖[79]；(c) 基于納米顆粒散斑增強的棱鏡光譜儀示意圖和散斑分布[80]

從整體看，上述空間型的基于散斑檢測的微型光譜儀技術特別適合于圖像傳感器，充分利用了二維空間的光場分布，具有非常好的空間擴展性。不過相比于波導型架構(gòu)，大多數(shù)空間型的散射元件表面由于和光傳輸方向垂直，導致光散射路徑較短的問題，限制了光譜分辨率[81]。

4 展望與總結(jié)

光的散射是一個廣泛存在的光學現(xiàn)象，通過上述研究進展可以看到，利用這種常見的光學現(xiàn)象可以有效地壓縮光譜分析系統(tǒng)的尺寸，并保證較高的光譜分辨率，甚至在性能上已經(jīng)超越了當前大多數(shù)小型化的商用光譜系統(tǒng)。其核心原理建立在光散射過程中對原始光譜信息的完整保存和這種波長與散斑分布的固定映射關系。相對于傳統(tǒng)光譜儀將寬帶光分散成窄帶光到探測器線陣上形成一維的空間映射分布，散斑技術可以將光譜信息映射到二維平面分布，并充分利用數(shù)學分析技術，因此具有更大的檢測潛力。從前文中可以看到，基于散斑檢測的微型光譜儀基本可分為波導型和空間型兩大類，其中波導型指光傳輸在波導內(nèi)發(fā)生，包括光纖、平面波導和平面內(nèi)散射體等技術方案，而空間型指光傳輸方向與色散結(jié)構(gòu)垂直的情況，包括尺寸和排列均無序的結(jié)構(gòu)、尺寸無序排列有序的結(jié)構(gòu)，以及尺寸有序排列無序的結(jié)構(gòu)等技術方案。各種技術方案有各自特點和適用范圍。例如，光纖方案中可以通過簡單的加長光纖來增加光與結(jié)構(gòu)的作用距離，從而提高不同波長的相差積累，即增大對應的散斑差異，可以獲得pm甚至fm的光譜分辨率，而且光纖的傳輸能夠保證較高的光學效率，因此適用于對分辨率和光學效率要求較高的應用場景；平面波導和平面散射體由于片上光路由的優(yōu)勢，相對于光纖方案可以進一步壓縮波導的長度，因此具有小型化的優(yōu)勢，但片上探測器(或光柵耦合器)大規(guī)模陣列的集成難度一定程度限制了信道數(shù)即光譜分辨率，也一定程度增加了加工的難度與成本；空間型的微型光譜儀得益于和低成本大規(guī)模的圖像傳感器的集成性，通常都具有較高的集成性和成本優(yōu)勢，尤其是納米顆粒和毛玻璃的技術方案，但由于垂直入射的架構(gòu)限制了光與散射結(jié)構(gòu)的作用距離，散斑相關度較高，導致光譜分辨率通常低于波導型的，因此適合于低成本、高載荷和體積限制的應用場景。雖然散斑檢測機制的微型光譜儀展現(xiàn)了較好的性能和應用前景，但這項技術也存在固有的缺點。散射體系對光的傳輸是發(fā)散的，因此探測系統(tǒng)的光收集效率比常規(guī)的衍射系統(tǒng)低許多，導致這種技術受環(huán)境噪聲的影響較大。同時由于散射會引起類似勻光的效應，導致依賴于散斑對比度的檢測受限于空間正交散射通道數(shù)的限制，工作波長范圍往往有限。雖然目前通過波分復用和空分復用等技術可以有效擴展光譜檢測范圍，更易集成和更低成本的技術期望能夠進一步發(fā)展。對于一種檢測技術，我們還需要了解其檢測誤差的來源。散斑檢測的主要測量是對散斑的成像檢測，因此成像分辨率將顯著影響重構(gòu)光譜的精度。對于空間型的散斑微型光譜儀，由于通?；诔墒斓膱D像傳感器，像素規(guī)模在幾百萬到幾千萬的級別，可以非常精確地對散斑圖案進行成像，從而呈現(xiàn)出細小波長差異帶來的圖像的變化，有助于提高光譜分辨率。而波導型的散斑微型光譜儀，尤其是平面波導和平面散射體技術方案往往依賴于在片上集成的探測器(或光柵耦合器)陣列來提取散斑信號，受限于陣列規(guī)模導致光譜分辨率有限，即誤差較大。另外，散斑微型光譜儀在進行光譜檢測前都需要利用一系列單波長光源來定標，因此單波長光源的波長精度對后續(xù)基于散斑檢測的光譜重構(gòu)的誤差也具有明顯影響。除了這些物理量的檢測誤差，光譜重構(gòu)算法本身的精度和檢測系統(tǒng)的雜散光等噪聲也都會貢獻到最終的檢測誤差中。

基于散斑檢測的微型計算光譜分析技術的原理已經(jīng)很清楚，后續(xù)發(fā)展將主要集中在技術層面。包括：1) 集成技術。依托當前最為廣泛使用的手機平臺，結(jié)合大數(shù)據(jù)和云端技術等，將極大推動光譜分析技術的應用。2) 智能化技術。需要與人工智能和機器學習等新興技術結(jié)合，提高散射元件的定標效率和重構(gòu)光譜的精度。3) 提高適用性。由于散射機制固有的低光效，需要發(fā)展各種噪聲抑制和處理技術，提高系統(tǒng)在各種環(huán)境中的適用性?？傊谏邫z測的微型計算光譜分析技術突破了傳統(tǒng)光譜儀復雜、笨重、高成本等限制，提供了一種高精度、低成本和便攜式的光譜檢測能力，未來在生物醫(yī)藥、環(huán)境食品、農(nóng)業(yè)、安防等領域具有巨大的應用前景。

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Research progress of computational microspectrometer based on speckle inspection

Zheng Qilin, Wen Long, Chen Qin*

Institute of Nanophotonics, Jinan University, Guangzhou, Guangdong 510632, China

Schematic of speckle pattern distribution on the detector array after the incident light passing through the dispersive component

Overview:Fast, accurate and nondestructive spectral analysis technique is important to differentiate matters and widely used in the fields of scientific research, information, biomedical, pharmaceutical detection, agriculture, environment, and security. The existing spectroscopic analysis equipments usually use individual optical elements such as gratings, prisms and interferometer to obtain spectral information, and therefore the whole system is usually bulky, complex and expensive, which are difficult to adapt to portable application scenarios such as on-site rapid detection, point-of-care diagnostics, and light-load platform in low-resource settings. It is not straight forward to minimize the conventional spectrometer without a loss of performance because the spectral resolution is usually associated with the length of light path. Novel mechanisms and advanced techniques are required to tackle this issue. With the rapid developments of the novel nanophotonic techniques and micro-nano fabrication methods, spectral analysis has been achieved on a single chip with decent spectral resolution, for example, quantum dot microspectrometer, photonic crystal microspectrometer, and so on, which shows great advantages in volume, weight, integration, cost, etc. In addition, combining such minimized spectrometers together with the cloud technology and big data technology is expected to significantly improve the efficiency of spectral information in collection, distribution and analysis, which is important for timely, accurate and portable applications. In particular, the computational spectral technology based on the speckle inspection can obtain high-resolution spectral information by recording and analyzing the speckle patterns formed by the light scattering process. In general, the speckle detection-based spectral analysis techniques are divided into two categories: the waveguide types and the normal incidence types. The waveguide types include multimode fibers, multimode waveguides, and in-plane scatters. Different modes have different propagation constants and thus different phase delay. Different scattering paths also result in different phase delay. The light interference therefore induces the generation of the wavelength-dependent speckles. The normal incidence type usually includes disordered micro-nano structures such as nanoparticles, micro-holes, and frosted glass. Similar optical interference phenomenon occurs and generates wavelength-dependent speckles. By initially calibrating the speckle generation structures by a series of monochromatic light and dealing the speckle with the compressive sensing algorithm, the spectral information of the target spectrum can be reconstructed. This paper will introduce the relevant technical principles and technical development status, analyze the existing technical performance, advantages and disadvantages, discuss and summarize the future development direction and application prospects.

Zheng Q L, Wen L, Chen QResearch progress of computational microspectrometer based on speckle inspection[J]., 2021, 48(3): 200183; DOI:10.12086/oee.2021.200183

Research progress of computational microspectrometer based on speckle inspection

Zheng Qilin, Wen Long, Chen Qin*

Institute of Nanophotonics, Jinan University, Guangzhou, Guangdong 510632, China

Fast, accurate and nondestructive spectral analysis technique is important and widely used in the fields of scientific research, information, biomedical, pharmaceutical detection, agriculture, environment, and security. However, the existing spectroscopic analysis equipments are usually bulky and complex, which are difficult to adapt to portable application scenarios such as on-site rapid detection, light-load platform, etc. In recent years, miniature spectroscopic detection technology and equipment have received extensive attention, and have been rapidly developed, with significant advantages in size, weight, and power consumption. In particular, the computational spectral analysis technology based on the speckle detection can obtain high-precision spectral information by recording and analyzing the speckle pattern formed by the scattering element on the measured light. This paper will first introduce the related technical principles and technological developments, then analyze the existing techniques including the advantages and disadvantages, and finally discuss and summarize the future development direction and application prospects.

spectrum;speckle; microspectrometer; compressive sensing

National Key Research and Development Program of China (2019YFB2203402), National Natural Science Foundation of China (11774383, 11774099 and 11874029), Guangdong Science and Technology Program International Cooperation Program (2018A050506039), Guangdong Basic and Applied Basic Research Foundation (2020B1515020037), and Pearl River Talent Plan Program of Guangdong (2019QN01X120)

10.12086/oee.2021.200183

O433

A

* E-mail: chenqin2018@jnu.edu.cn

鄭麒麟，文龍，陳沁. 基于散斑檢測的微型計算光譜儀研究進展[J]. 光電工程，2021，48(3): 200183

Zheng Q L, Wen L, Chen QResearch progress of computational microspectrometer based on speckle inspection[J]., 2021, 48(3): 200183

2020-05-23；

2020-09-27

國家重點研發(fā)計劃項目(2019YFB2203402)；國家自然科學基金資助項目(11774383, 11774099, 11874029)；廣東省國際合作科技項目(2018A050506039)；廣東省杰出青年基金資助項目(2020B1515020037)；廣東省珠江人才計劃項目(2019QN01X120)

鄭麒麟(1995-)，男，碩士研究生，主要從事便攜式光電傳感檢測方面的研究。E-mail：qilinzheng@stu2018.jnu.edu.cn

陳沁(1979-)，男，博士，教授，博士生導師，主要從事光學傳感檢測技術的研究。E-mail：chenqin2018@jnu.edu.cn

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