基于散斑檢測(cè)的微型計(jì)算光譜儀研究進(jìn)展

鄭麒麟，文 龍，陳 沁

基于散斑檢測(cè)的微型計(jì)算光譜儀研究進(jìn)展

鄭麒麟，文 龍，陳 沁*

暨南大學(xué)納米光子學(xué)研究院，廣東 廣州 510632

光譜分析技術(shù)具有快速、準(zhǔn)確和綠色檢測(cè)的特點(diǎn)，在科學(xué)研究、信息、生物醫(yī)療、食藥檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和安防等領(lǐng)域有廣泛而且重要的應(yīng)用。然而現(xiàn)有光譜技術(shù)與檢測(cè)設(shè)備通常較為龐大復(fù)雜，難以適合現(xiàn)場(chǎng)快檢、輕載荷平臺(tái)等便攜式應(yīng)用場(chǎng)景。近年來，微型光譜檢測(cè)技術(shù)和設(shè)備受到廣泛關(guān)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(shì)，尤其是基于散斑檢測(cè)的計(jì)算光譜分析技術(shù)，可以通過記錄分析散射元件對(duì)被測(cè)光形成的散斑圖獲得高精度的光譜信息。本文將介紹相關(guān)技術(shù)原理和技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析現(xiàn)有技術(shù)性能和優(yōu)缺點(diǎn)，討論并總結(jié)未來發(fā)展方向和應(yīng)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(xué)成分和相對(duì)含量的不同，呈現(xiàn)出不同的光譜特征。光譜分析技術(shù)通過發(fā)射、吸收和散射光譜等方法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確迅速的非接觸式傳感檢測(cè)，因此在生物化學(xué)傳感和材料分析等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、生物醫(yī)療、食藥檢測(cè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境和安防等領(lǐng)域[1]。光譜分析的設(shè)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(cè)單元等，因此常規(guī)的光譜分析設(shè)備體積大、質(zhì)量重、成本高、操作復(fù)雜，基本上集中在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快檢、輕載荷平臺(tái)和可穿戴等便攜式應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)需求[7-9]。

微納加工技術(shù)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(shè)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(shì)，尤其與云端技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，有望改變現(xiàn)有光譜分析技術(shù)受限于使用環(huán)境的瓶頸問題。近年來，學(xué)術(shù)界已經(jīng)展示了光譜分辨率小于1 nm的毫米級(jí)尺寸的微型光譜儀，技術(shù)途徑包括量子點(diǎn)濾波器陣列[10]、超材料濾波器陣列[11-12]、陣列波導(dǎo)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(shí)梳理技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和走勢(shì)，討論技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)和未來發(fā)展方向，對(duì)于此新興領(lǐng)域具有積極作用[18]。目前已有不少優(yōu)秀的綜述文獻(xiàn)[19-21]，側(cè)重點(diǎn)各有不同。本文將聚焦基于散斑檢測(cè)的色散型微型光譜分析技術(shù)[22-27]，相關(guān)設(shè)備同時(shí)擁有小尺寸和高分辨率的優(yōu)勢(shì)，而且由于散射體的制備相比于各種嚴(yán)格設(shè)計(jì)的微納結(jié)構(gòu)或者組分不同的材料而言更為簡(jiǎn)單和低成本，因此是一類極具應(yīng)用潛力的微型光譜分析技術(shù)。本文首先介紹各類色散型微型光譜分析技術(shù)，重點(diǎn)說明基于散斑檢測(cè)的微型計(jì)算光譜技術(shù)原理，然后梳理此技術(shù)的發(fā)展歷程和現(xiàn)狀，分析討論相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)，最后總結(jié)現(xiàn)有問題和未來的發(fā)展重點(diǎn)。

2 色散型微型光譜分析技術(shù)分類與工作原理

常見的色散型微型光譜分析技術(shù)就是利用微型色散元件將不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行空間上的分離，然后由探測(cè)器分別讀出不同波長(zhǎng)的光強(qiáng)度，最后組合成完整的光譜[28]。從技術(shù)原理上看，主要包括刻蝕衍射光柵[29]、陣列波導(dǎo)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(cè)器陣列，最后一類屬于掃描式的，依次在單個(gè)探測(cè)器上讀出不同波長(zhǎng)的信號(hào)。無論哪種技術(shù)，其核心在于如何在有限空間內(nèi)進(jìn)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(gè)測(cè)量波長(zhǎng)范圍為Δ，測(cè)量通道數(shù)為(如探測(cè)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(jìn)一步提高[32]。對(duì)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(zhǎng)的光衍射到相應(yīng)的探測(cè)器單元，那么分辨率就相應(yīng)地下降，因此高分辨率的光譜儀往往需要大陣列探測(cè)器和大尺寸密集光柵等。而對(duì)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(shù)要求不僅對(duì)各器件設(shè)計(jì)和加工技術(shù)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(jí)集成的多層膜濾波器技術(shù)，雖然實(shí)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(zhǎng)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(jìn)一步縮小，從而限制了陣列規(guī)模[16]。

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

對(duì)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(cè)的計(jì)算光譜技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：1) 更小體積、更高精度、更大工作波長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)更高的分辨率，同時(shí)這個(gè)光程增強(qiáng)效應(yīng)不同于諧振腔而是一個(gè)寬帶效應(yīng)。2) 光譜測(cè)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(cè)機(jī)制中定標(biāo)波段決定了后續(xù)測(cè)試可以準(zhǔn)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(cè)器資源。同樣，對(duì)于一個(gè)完整光譜范圍定標(biāo)的同一個(gè)色散元件，通過選配不同的探測(cè)器，可以靈活地工作在可見和紅外等不同應(yīng)用場(chǎng)景。3) 低成本。這里的色散元件可以是一塊磨砂毛玻璃、化學(xué)合成或退火形成的微納顆粒等，利用計(jì)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(cè)的光譜分析技術(shù)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(shù)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(xué)架構(gòu)差異，可以把基于散斑檢測(cè)的光譜分析技術(shù)分為波導(dǎo)型和空間型兩大類。波導(dǎo)型包括多模光纖[45]、多模波導(dǎo)[46]和光子晶體[47]等結(jié)構(gòu)，其中多模光纖/波導(dǎo)支持多個(gè)傳輸模式，每個(gè)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(qiáng)度分布，不同波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的模式分布不同，相位延遲不同，造成光強(qiáng)度分布就不同，從而形成了波長(zhǎng)相關(guān)的散斑[45,48]。不依賴波導(dǎo)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(zhǎng)相關(guān)的面內(nèi)光場(chǎng)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(duì)不同波長(zhǎng)入射光的散射也會(huì)形成散斑分布。

3 基于散斑檢測(cè)的微型計(jì)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(yīng)力[52-53]、表面粗糙度[54]等物理量的測(cè)量。實(shí)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(zhǎng)相關(guān)的穩(wěn)定光場(chǎng)分布，即散斑提供了一種頻域-空域的映射關(guān)系?；谶@種映射關(guān)系，近年來被應(yīng)用到集成式的光譜分析技術(shù)中[19,27]。下面我們按波導(dǎo)型和空間型兩種架構(gòu)分別介紹基于散斑檢測(cè)的微型光譜分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。

3.1 波導(dǎo)型微型光譜儀

波導(dǎo)中的散斑源于波導(dǎo)中的模式干涉。片上的光波導(dǎo)和光纖都屬于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，橫向尺寸越大的波導(dǎo)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(chǎng)分布[34-55]。此外，平面無序納米結(jié)構(gòu)對(duì)面內(nèi)傳輸?shù)墓庖伯a(chǎn)生散射，不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過不同的散射路徑在面內(nèi)形成特定的強(qiáng)度分布，并在面內(nèi)形成穩(wěn)定的光場(chǎng)分布[47]。這些散斑分布可以用片上集成的探測(cè)器陣列或者片外的相機(jī)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(xué)等公司的光纖光譜儀產(chǎn)品，這些商品中的光纖僅作為導(dǎo)光介質(zhì)；而在本節(jié)介紹的基于散斑檢測(cè)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(zhǎng)的多模光纖在1.5 μm波長(zhǎng)附近展示了5 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)0.03 nm的光譜分辨率，信噪比高達(dá)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(zhǎng)附近可以支持高達(dá)1000個(gè)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(zhǎng)度的情況下，不同波長(zhǎng)的光必然導(dǎo)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(zhǎng)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(zhǎng)散斑的相關(guān)度越低，光譜分辨率就越高，其中5 m長(zhǎng)的多模光纖對(duì)應(yīng)的散斑自相關(guān)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(zhǎng)度的多模光纖分別成功分辨了波長(zhǎng)間距8 pm[22]和1 pm[56]的激光譜線，這個(gè)性能指標(biāo)已經(jīng)接近甚至超過了當(dāng)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(shí)現(xiàn)了全光纖系統(tǒng)(探測(cè)器外置)，并利用100 m長(zhǎng)的多模光纖在1.5 μm波段展示了7 nm工作波長(zhǎng)范圍內(nèi)1 pm的光譜分辨率[58]。除了光譜分辨率，工作波長(zhǎng)范圍也是光譜儀的一個(gè)重要指標(biāo)，前述系統(tǒng)的工作波長(zhǎng)范圍都非常小(<10 nm)，應(yīng)用局限性較大。Cao等人用4 cm的多模光纖在400 nm~750 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1 nm的光譜分辨率[56]。雖然工作波長(zhǎng)范圍增大，但光譜分辨率變差?？梢钥吹剑@種基于散斑檢測(cè)的微型光譜儀體系存在光譜分辨率和工作波長(zhǎng)帶寬這兩個(gè)指標(biāo)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(zhǎng)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(zhǎng)度可以提高光譜分辨率，但同時(shí)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(duì)比度會(huì)隨著模式數(shù)的增加而下降，而且大的芯徑會(huì)造成光功率密度的下降，導(dǎo)致光譜分辨率會(huì)受限于信噪比[51]。

為了同時(shí)獲得高光譜分辨率和大工作波長(zhǎng)范圍，Cao等人進(jìn)一步利用波分復(fù)用技術(shù)將一個(gè)寬帶入射光以不同波段分到多根2 m長(zhǎng)的多模光纖，如圖2(b)所示，相機(jī)同時(shí)記錄了不同波段對(duì)應(yīng)的所有多模光纖的散斑，這樣就保證在每個(gè)散斑圖樣包括的頻譜通道數(shù)不變(即對(duì)比度不變)的情況下增加頻譜總通道數(shù)，從而同時(shí)獲得高光譜分辨率和更大的工作波長(zhǎng)范圍，最終實(shí)現(xiàn)了1520 nm~1620 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)高達(dá)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(gè)色散元件)的技術(shù)方案，Li等人提出空分(多芯光纖)加時(shí)分(時(shí)序耦合)的技術(shù)方案[59]。如圖2(c)所示，在輸入端利用光開關(guān)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(zhǎng)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(duì)比度的情況下增加了空間通道數(shù)，從而同時(shí)獲得高光譜分辨率和更大的工作波長(zhǎng)范圍，最終實(shí)現(xiàn)了1530 nm~1560 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)0.02 nm的光譜分辨率。這個(gè)結(jié)果也進(jìn)一步說明這種基于散斑測(cè)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(dú)立散斑分布，但因?yàn)椴煌ǘ螌?duì)應(yīng)的散斑在同一空間位置呈現(xiàn)，對(duì)比度依然會(huì)受到一定影響，可以看到其散斑的譜相關(guān)函數(shù)并沒有隨著波長(zhǎng)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(fù)用方式，其性能提升的同時(shí)都增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，并降低了便攜性和實(shí)時(shí)性。Englund等人采用了一種不同的散斑測(cè)量方法[60]，如圖2(d)所示，他們采用非絕熱式拉錐的5 mm長(zhǎng)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(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)40 pm和10 pm的光譜分辨率，并認(rèn)為在500 nm~1600 nm整個(gè)波段都具有高分辨率。他們認(rèn)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(zhǎng)范圍內(nèi)的散斑對(duì)比度。不過這種對(duì)拉錐光纖泄漏模的成像架構(gòu)也導(dǎo)致了整個(gè)系統(tǒng)的光學(xué)效率不高，僅有1%的入射光被探測(cè)，導(dǎo)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(zhǎng)入射光在5 m長(zhǎng)多模光纖出射端的散斑分布、譜自相關(guān)函數(shù)和窄帶激光譜線測(cè)試結(jié)果[45]；(b) 基于七根多模光纖波分復(fù)用的光纖微型光譜儀和100 nm寬帶范圍的光譜測(cè)試結(jié)果[48]；(c) 基于光開關(guān)空分復(fù)用的光纖微型光譜儀、譜自相關(guān)函數(shù)和窄帶激光譜線測(cè)試結(jié)果[59]；(d) 基于拉錐光纖的光纖微型光譜儀、不同波長(zhǎng)散斑分布和窄帶激光譜線測(cè)試結(jié)果[60]

除了上述多模光纖模式干涉的技術(shù)方案，基于光纖體系還有其他一些通過散斑檢測(cè)來進(jìn)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(jī)分散的微球相對(duì)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(yīng)，在光纖束另一端面用CCD相機(jī)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(gè)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(jī)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(cè)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(gè)分離的不同光纖由于其光子禁帶導(dǎo)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(dǎo)的微型光譜儀

片上波導(dǎo)集成的微型光譜儀通?；诳涛g衍射光柵和陣列波導(dǎo)光柵等分光結(jié)構(gòu)，如前所述，這些頻譜-空間一對(duì)一映射的技術(shù)對(duì)分光效率要求非常高，微型設(shè)備尤其是片上集成體系很難實(shí)現(xiàn)高性能分光，因此限制了光譜分辨率。實(shí)際上，不完美分光的結(jié)果就是不同輸出波導(dǎo)位置有不同波長(zhǎng)的光分量，即不同波長(zhǎng)光在探測(cè)器陣列上會(huì)形成不同的分布，這些分布與波長(zhǎng)有一一映射的關(guān)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(guān)系把原始光譜重構(gòu)出來。

Cao等人將前述多模光纖技術(shù)移植到多模平面波導(dǎo)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(dǎo)工藝的優(yōu)勢(shì)制備了極小間距的強(qiáng)耦合螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，增加了光在波導(dǎo)中傳輸路徑的擴(kuò)展，從而增加了有效光程，可以看到這種強(qiáng)耦合波導(dǎo)輸出端散斑的譜相關(guān)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(dǎo)間距的螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中他們實(shí)驗(yàn)展示了10 pm的光譜分辨率，不過這種結(jié)構(gòu)受限于波導(dǎo)中導(dǎo)模數(shù)量(10 μm寬波導(dǎo)中有40個(gè)正交模式)，工作波長(zhǎng)范圍僅有0.4 nm。為了增加帶寬，Piels等人提出了采用光開關(guān)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(dǎo)耦合進(jìn)入多模波導(dǎo)，由于多模波導(dǎo)中模式耦合與入射光的位置相關(guān)，類似Li等人在光纖體系中運(yùn)用的空分復(fù)用技術(shù)[59]，可以增加獨(dú)立的空間散斑數(shù)量，即增大工作波長(zhǎng)范圍。如圖3(b)所示，利用級(jí)聯(lián)的2×2光開關(guān)陣列結(jié)合強(qiáng)耦合的螺旋波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，他們?cè)?550 nm波段實(shí)現(xiàn)了250 GHz帶寬內(nèi)2 GHz的光譜分辨率，工作波長(zhǎng)范圍相比于沒有光開關(guān)陣列的結(jié)構(gòu)提高了一個(gè)量級(jí)。

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

除了上述常規(guī)的條形波導(dǎo)，平面工藝的優(yōu)勢(shì)使得平面導(dǎo)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(xì)調(diào)節(jié)光子晶體的能帶結(jié)構(gòu)，利用超棱鏡效應(yīng)獲得高效的片上色散，并利用負(fù)折射效應(yīng)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(zhǎng)光的主分量分別耦合到不同輸出錐形光波導(dǎo)中，但在臨近波導(dǎo)位置也存在一些串?dāng)_，對(duì)所有輸出波導(dǎo)進(jìn)行成像就獲得類似散斑的圖像。他們發(fā)現(xiàn)波長(zhǎng)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(dǎo)中。隨后他們?cè)?550 nm波段開展了類似工作，估算的光譜分辨率達(dá)到10 pm[65]。進(jìn)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(shí)驗(yàn)室的設(shè)計(jì)，并估計(jì)60 μm長(zhǎng)的光子晶體有望實(shí)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(dǎo)耦合微盤諧振腔陣列的片上光譜分析技術(shù)，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(shí)現(xiàn)光譜的測(cè)量[67]。他們?cè)?550 nm波段實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了這種技術(shù)的可行性，如圖4(b)所示，利用面外散斑重構(gòu)出的每個(gè)微環(huán)選頻通道的波長(zhǎng)與光譜儀直接測(cè)量的結(jié)果吻合較好，在1550 nm到1610 nm波長(zhǎng)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(dǎo)的微型光譜儀示意圖。(a) 基于光子晶體超棱鏡效應(yīng)的微型光譜儀示意圖和不同波長(zhǎng)在輸出波導(dǎo)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(zhǎng)對(duì)應(yīng)的面外散斑分布和光譜測(cè)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(cè)試結(jié)果[71]

另外，平面數(shù)字全息技術(shù)是最近興起的一種平面波導(dǎo)光譜分析技術(shù)，它可以實(shí)現(xiàn)各種人工設(shè)計(jì)的光傳輸功能。依照軟件生成的全息圖通過刻蝕平面波導(dǎo)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(zhǎng)分別導(dǎo)引到適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄟ^相機(jī)記錄不同波長(zhǎng)形成的散斑圖，同樣可以實(shí)現(xiàn)片上光譜分析[70]。如圖4(c)所示，Peroz等人利用這種技術(shù)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(zhǎng)間隔為0.15 nm，輸入被測(cè)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(shì)他們?cè)诓坏? cm2的面積內(nèi)集成了926個(gè)通道，覆蓋148 nm的工作波長(zhǎng)范圍[71]。

3.1.3 基于平面散射體導(dǎo)光結(jié)構(gòu)的微型光譜儀

除了上述規(guī)則的平面導(dǎo)光結(jié)構(gòu)，利用平面內(nèi)無序結(jié)構(gòu)對(duì)光的面內(nèi)散射也可以形成與波長(zhǎng)相關(guān)的光場(chǎng)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(dǎo)的光進(jìn)入納米孔陣列后將在其內(nèi)部多次散射，不同波長(zhǎng)的光形成的散射路徑不同[47]。他們?cè)跓o序納米孔半圓形散射體結(jié)構(gòu)的圓弧上設(shè)置了25個(gè)輸出波導(dǎo)，并用光子晶體結(jié)構(gòu)將散射體和輸出波導(dǎo)包裹起來抑制面內(nèi)背散射和波導(dǎo)間串?dāng)_。這樣不同波長(zhǎng)的入射光將在輸出波導(dǎo)陣列中形成一一對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(cè)器，如果考慮不可避免的面外散射，真實(shí)的光學(xué)效率遠(yuǎn)低于3.1.1和3.1.2所介紹的規(guī)則導(dǎo)光結(jié)構(gòu)。

圖5 平面散射體導(dǎo)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?yàn)榉糯蟮膱D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(shí)驗(yàn)結(jié)果圖像[47]；(b) 無序光子結(jié)構(gòu)的校準(zhǔn)矩陣[47]；(c) 基于無序光子結(jié)構(gòu)所有檢測(cè)通道上的平均光強(qiáng)度的光譜相關(guān)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(cè)試結(jié)果[47]

從整體看，上述波導(dǎo)型的基于散斑檢測(cè)的微型光譜儀技術(shù)中，3.1.2和3.1.3介紹的技術(shù)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(duì)比度，進(jìn)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(dǎo)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(shè)備的集成也更加直接，有望實(shí)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(shù)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(zhǎng)相關(guān)的穩(wěn)定空間光場(chǎng)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(shí)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(duì)探測(cè)器陣列記錄散斑圖的分析，在500 nm~650 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)實(shí)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(dǎo)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(shí)現(xiàn)大面積制備。Mazilu等人采用了更為簡(jiǎn)單的技術(shù)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(duì)散斑定標(biāo)后，實(shí)現(xiàn)了800 nm附近單波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器波長(zhǎng)的準(zhǔn)確測(cè)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(jī)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(cè)波長(zhǎng)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(xué)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(duì)不同波長(zhǎng)的衍射角也不同，提高了散斑的對(duì)比度。在120 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)用1 nm光譜精度對(duì)此色散元件的散斑定標(biāo)后，對(duì)未知光譜的測(cè)試結(jié)果顯示了小于2 nm的中心波長(zhǎng)偏移[49]。這些金屬微孔陣列是由聚焦離子束刻蝕技術(shù)在Al膜上制備的，為了進(jìn)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(jí)的粗糙表面同樣可以對(duì)不同波長(zhǎng)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(biāo)時(shí)采用更高的光譜分辨率可以提高散斑光譜儀后期測(cè)試應(yīng)用時(shí)的光譜重構(gòu)精度，并實(shí)驗(yàn)中區(qū)分了4 nm間隔的兩個(gè)峰。為了突破現(xiàn)有系統(tǒng)受限于可見光波段CCD的探測(cè)波長(zhǎng)范圍，他們?cè)贑CD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(cè)的可見光，從而獲得紫外到紅外超寬的工作波長(zhǎng)范圍[2,77,57]。他們還利用化學(xué)合成的銀納米顆粒結(jié)合紅外顯色卡，實(shí)現(xiàn)了可見光CCD對(duì)1500 nm波段未知光譜的測(cè)試，同時(shí)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(biāo)的光譜精度，在定標(biāo)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(biāo)光譜分辨率的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)15 pm間距兩個(gè)窄激射峰的分辨。他們還發(fā)現(xiàn)毛玻璃因?yàn)榫哂懈叩墓庑?，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(cè)器面陣的方法，這種散射結(jié)構(gòu)的光譜重構(gòu)機(jī)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(cè)器陣列較為昂貴，楊濤等人利用電動(dòng)位移臺(tái)來調(diào)制一塊粗糙表面透明版的位置和角度，通過單個(gè)探測(cè)器時(shí)分復(fù)用的方式來替代探測(cè)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(jìn)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(cè)試結(jié)果[74]；(b) 氧化鋁顆粒的SEM圖像和遠(yuǎn)場(chǎng)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(cè)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(cè)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(gè)波段的光譜測(cè)試結(jié)果[77]

美國(guó)鹽湖城大學(xué)的Menon等人采用相位版來調(diào)控不同波長(zhǎng)在空間的相位延遲分布，從而獲得與波長(zhǎng)相關(guān)的散斑圖案[78]。如圖8(a)所示，他們利用灰度曝光技術(shù)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(jī)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(diǎn)分布函數(shù)具有更加均勻的分布，即散斑對(duì)比度更高，自相關(guān)函數(shù)預(yù)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(duì)激光、LED和氙燈等多種光源光譜進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)展示了這種基于相位版的光譜重構(gòu)技術(shù)可以分辨出波長(zhǎng)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?yàn)樯⑸潴w系由于光散射方向的不確定性，導(dǎo)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(shù)方案。如圖8(b)所示，通過在色散元件表面制備取向隨機(jī)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(xué)效率，又能夠利用無序結(jié)構(gòu)的散斑圖案特點(diǎn)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(xué)的Ferhanoglu等人提出了將散斑機(jī)制與現(xiàn)有商業(yè)光譜儀技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)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(jī)制提高光譜分辨率，同時(shí)利用棱鏡將不同波長(zhǎng)的散斑圖案分開到不同空間位置，確保大的工作波長(zhǎng)范圍。他們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(guān)函數(shù)，計(jì)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(shù)：兩類相位版的槽深分布、散斑分布和對(duì)應(yīng)的譜自相關(guān)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(qiáng)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(cè)的微型光譜儀技術(shù)特別適合于圖像傳感器，充分利用了二維空間的光場(chǎng)分布，具有非常好的空間擴(kuò)展性。不過相比于波導(dǎo)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(dǎo)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(gè)廣泛存在的光學(xué)現(xiàn)象，通過上述研究進(jìn)展可以看到，利用這種常見的光學(xué)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(dāng)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(duì)原始光譜信息的完整保存和這種波長(zhǎng)與散斑分布的固定映射關(guān)系。相對(duì)于傳統(tǒng)光譜儀將寬帶光分散成窄帶光到探測(cè)器線陣上形成一維的空間映射分布，散斑技術(shù)可以將光譜信息映射到二維平面分布，并充分利用數(shù)學(xué)分析技術(shù)，因此具有更大的檢測(cè)潛力。從前文中可以看到，基于散斑檢測(cè)的微型光譜儀基本可分為波導(dǎo)型和空間型兩大類，其中波導(dǎo)型指光傳輸在波導(dǎo)內(nèi)發(fā)生，包括光纖、平面波導(dǎo)和平面內(nèi)散射體等技術(shù)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(shù)方案。各種技術(shù)方案有各自特點(diǎn)和適用范圍。例如，光纖方案中可以通過簡(jiǎn)單的加長(zhǎng)光纖來增加光與結(jié)構(gòu)的作用距離，從而提高不同波長(zhǎng)的相差積累，即增大對(duì)應(yīng)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(xué)效率，因此適用于對(duì)分辨率和光學(xué)效率要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景；平面波導(dǎo)和平面散射體由于片上光路由的優(yōu)勢(shì)，相對(duì)于光纖方案可以進(jìn)一步壓縮波導(dǎo)的長(zhǎng)度，因此具有小型化的優(yōu)勢(shì)，但片上探測(cè)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(shì)，尤其是納米顆粒和毛玻璃的技術(shù)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(guān)度較高，導(dǎo)致光譜分辨率通常低于波導(dǎo)型的，因此適合于低成本、高載荷和體積限制的應(yīng)用場(chǎng)景。雖然散斑檢測(cè)機(jī)制的微型光譜儀展現(xiàn)了較好的性能和應(yīng)用前景，但這項(xiàng)技術(shù)也存在固有的缺點(diǎn)。散射體系對(duì)光的傳輸是發(fā)散的，因此探測(cè)系統(tǒng)的光收集效率比常規(guī)的衍射系統(tǒng)低許多，導(dǎo)致這種技術(shù)受環(huán)境噪聲的影響較大。同時(shí)由于散射會(huì)引起類似勻光的效應(yīng)，導(dǎo)致依賴于散斑對(duì)比度的檢測(cè)受限于空間正交散射通道數(shù)的限制，工作波長(zhǎng)范圍往往有限。雖然目前通過波分復(fù)用和空分復(fù)用等技術(shù)可以有效擴(kuò)展光譜檢測(cè)范圍，更易集成和更低成本的技術(shù)期望能夠進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于一種檢測(cè)技術(shù)，我們還需要了解其檢測(cè)誤差的來源。散斑檢測(cè)的主要測(cè)量是對(duì)散斑的成像檢測(cè)，因此成像分辨率將顯著影響重構(gòu)光譜的精度。對(duì)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(jí)別，可以非常精確地對(duì)散斑圖案進(jìn)行成像，從而呈現(xiàn)出細(xì)小波長(zhǎng)差異帶來的圖像的變化，有助于提高光譜分辨率。而波導(dǎo)型的散斑微型光譜儀，尤其是平面波導(dǎo)和平面散射體技術(shù)方案往往依賴于在片上集成的探測(cè)器(或光柵耦合器)陣列來提取散斑信號(hào)，受限于陣列規(guī)模導(dǎo)致光譜分辨率有限，即誤差較大。另外，散斑微型光譜儀在進(jìn)行光譜檢測(cè)前都需要利用一系列單波長(zhǎng)光源來定標(biāo)，因此單波長(zhǎng)光源的波長(zhǎng)精度對(duì)后續(xù)基于散斑檢測(cè)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(cè)誤差，光譜重構(gòu)算法本身的精度和檢測(cè)系統(tǒng)的雜散光等噪聲也都會(huì)貢獻(xiàn)到最終的檢測(cè)誤差中。

基于散斑檢測(cè)的微型計(jì)算光譜分析技術(shù)的原理已經(jīng)很清楚，后續(xù)發(fā)展將主要集中在技術(shù)層面。包括：1) 集成技術(shù)。依托當(dāng)前最為廣泛使用的手機(jī)平臺(tái)，結(jié)合大數(shù)據(jù)和云端技術(shù)等，將極大推動(dòng)光譜分析技術(shù)的應(yīng)用。2) 智能化技術(shù)。需要與人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等新興技術(shù)結(jié)合，提高散射元件的定標(biāo)效率和重構(gòu)光譜的精度。3) 提高適用性。由于散射機(jī)制固有的低光效，需要發(fā)展各種噪聲抑制和處理技術(shù)，提高系統(tǒng)在各種環(huán)境中的適用性?？傊?，基于散斑檢測(cè)的微型計(jì)算光譜分析技術(shù)突破了傳統(tǒng)光譜儀復(fù)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(cè)能力，未來在生物醫(yī)藥、環(huán)境食品、農(nóng)業(yè)、安防等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)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(cè)的微型計(jì)算光譜儀研究進(jìn)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2019YFB2203402)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11774383, 11774099, 11874029)；廣東省國(guó)際合作科技項(xiàng)目(2018A050506039)；廣東省杰出青年基金資助項(xiàng)目(2020B1515020037)；廣東省珠江人才計(jì)劃項(xiàng)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(cè)方面的研究。E-mail：qilinzheng@stu2018.jnu.edu.cn

陳沁(1979-)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事光學(xué)傳感檢測(cè)技術(shù)的研究。E-mail：chenqin2018@jnu.edu.cn

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