中國科學(xué)家研發(fā)晶圓級AI光譜儀，登《PNAS》封面
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，光學(xué)光譜儀是其中不可或缺的分析工具。如今，體積龐大的傳統(tǒng)光譜儀已經(jīng)無法滿足日益發(fā)展的光譜檢測技術(shù)需求，微型化成為光譜儀發(fā)展的必由之路，其在機器視覺、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)診斷等各個領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。
光譜儀的微型化有多條不同的技術(shù)路線，依賴人工智能算法的計算重構(gòu)式光譜儀近年來備受業(yè)界關(guān)注。這種光譜儀利用高速計算來部分替代物理分光元件的工作負(fù)荷，能進一步減小儀器的尺寸和重量。
然而，由于光譜形貌的多樣性以及信號稀疏性假設(shè)，以往報道的重構(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)果可能會失真。同時，這類光譜儀通過集成電路工藝直接實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的能力也尚未得到驗證。
在此背景下，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系、智慧納米機器人與納米系統(tǒng)國際研究院梅永豐教授課題組在 「Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America」上發(fā)表了題為「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。
梅永豐教授課題組的微型光譜儀工作當(dāng)選「美國科學(xué)院院刊」封面
該團隊提出了一種新的微型化重構(gòu)光譜儀設(shè)計，結(jié)合了傳統(tǒng)光譜儀和計算重構(gòu)光譜儀的優(yōu)勢，通過集成的自參考 (self-reference) 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)空間進行光譜和算法參數(shù)的同時搜索。更進一步，該光譜儀可以通過成熟的集成電路工藝進行晶圓級制造，并具有毫米級尺寸，足以勝任大部分微型化光譜測試需求。
研究亮點：* 該研究提出了一種新型微型化重構(gòu)光譜儀設(shè)計，在整個可見光波段 (400-800 nm) 表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)能力，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) 5,806 的分辨力* 該研究為實現(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，推動微型光譜探測系統(tǒng)融入 CIS 圖像模組* 該光譜儀性能接近商用光纖光譜儀，但成本和體積大幅減少
論文地址：
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2403950121
開源項目「awesome-ai4s」匯集了百余篇 AI4S 論文解讀，并提供海量數(shù)據(jù)集與工具：https://github.com/hyperai/awesome-ai4s數(shù)據(jù)集：對不同的數(shù)據(jù)集應(yīng)用不同的光譜推導(dǎo)方法研究人員將從微型光譜儀獲得的電流數(shù)據(jù)劃分為 2 個數(shù)據(jù)集：窄帶通道電流 (narrowband channel currents) 和全部通道電流 (total channel currents)，然后對每個數(shù)據(jù)集應(yīng)用不同的光譜推導(dǎo)方法。
* 窄帶數(shù)據(jù)集
包括在其設(shè)計的法布里-佩羅 (Fabry–Perot, FP) 腔體內(nèi)具有窄帶過濾功能通道測得的電流。對于該數(shù)據(jù)集，研究人員通過將每個通道的響應(yīng)電流除以其響應(yīng)度，直接推導(dǎo)出點對點的光譜曲線——稱之為自參考光譜。
* 全部通道數(shù)據(jù)集
包含來自所有通道的電流，也包括窄帶通道。對于該數(shù)據(jù)集，研究人員通過將算法重構(gòu)光譜結(jié)果與自參考光譜（從窄帶通道推導(dǎo)得出）相比較，迭代優(yōu)化算法參數(shù)，實現(xiàn)最優(yōu)化的光譜曲線重構(gòu)還原。工作原理：通過引入自參考光譜重建出準(zhǔn)確且穩(wěn)定的光譜下圖 A 展示了傳統(tǒng)光譜儀 (Conventional spectrometer) 的工作原理，它利用窄帶 (Narrow bandpass) 濾光片來區(qū)分不同的波長，每個波長的強度是基于通過相應(yīng)濾光片的光量直接測量的。這個過程可以描述為「點對點」的映射，雖然得到的光譜較粗略，但每個濾光片對應(yīng)波長位置相對準(zhǔn)確。
傳統(tǒng)光譜儀和典型重構(gòu)光譜儀的工作原理
上圖 B 描述了典型重構(gòu)光譜儀 (Reconstructive spectrometer) 的工作原理。光譜儀將未知光譜編碼 (Encoder) 為收集到的數(shù)據(jù)，然后通過帶有參數(shù) Φ 的監(jiān)督算法將這些數(shù)據(jù)重建為光譜。該算法在光譜參數(shù)空間 S 中尋找最小的損失函數(shù) (Minimum cost function)，通常通過 Tikhonov 或全變差 (Total variation)等正則化方法實現(xiàn)。雖然這種重建可以得到高分辨率的光譜，但結(jié)果可能不穩(wěn)定，因為不同的參數(shù) Φ 選擇可能會導(dǎo)致不同的最小損失函數(shù)。
下圖 C 展示了本研究提出的自適應(yīng)光譜儀 (Self-adaptive spectrometer) 的工作原理。除了將光譜編碼為算法的數(shù)據(jù)外，光譜儀還以傳統(tǒng)方式提供了一個粗略的自參考光譜。通過這一自參考，可以在光譜參數(shù)空間 S 和算法參數(shù)空間 Φ 中實現(xiàn)雙層優(yōu)化，從而使最小損失函數(shù)的搜索涵蓋更高的維度。這使得能夠通過自動選擇最優(yōu)參數(shù)來識別全局最小損失函數(shù) (Global minimum cost function)，從而重建出準(zhǔn)確且穩(wěn)定的光譜。
自適應(yīng)光譜儀的工作原理
下圖進一步展示了自適應(yīng)光譜的重建過程，即自適應(yīng)算法。
自適應(yīng)算法示意圖
具體而言，微型化光譜儀具有一組用于常規(guī)光譜測量的窄帶通道，因此它為光譜感知提供了兩組電流數(shù)據(jù)。第一組是窄帶響應(yīng) (narrow spectrum response) 通道的電流，可以看作是特定波段的光譜強度與負(fù)責(zé)該波段的通道響應(yīng)的標(biāo)量積，從中可以容易地獲得一個明確但粗略的光譜。第二組是來自所有通道（包括窄帶通道）的電流，它是將每個波長的光譜與通道響應(yīng)相乘后的積分結(jié)果 (Scalar-product response)。
研究人員引入了從第一組數(shù)據(jù)集中獲得的光譜結(jié)果，作為第二組電流集計算解決方案的自參考，通過這一過程，算法可以自行調(diào)整各種參數(shù)，并通過內(nèi)在的迭代獲得接近真實光譜的穩(wěn)定結(jié)果。研究結(jié)果：在整個可見光波段表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)能力波長分辨率是光譜儀的重要參數(shù)，尤其在波長計或高精度材料識別等應(yīng)用中。在測試性能的試驗中，該光譜儀在整個可見光波段 (400-800 nm) 表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)能力。下圖展示了輸入峰值波長與輸出重建峰值波長的對比，顯示出良好的一致性。
重建光譜的峰值波長與輸入峰值波長的關(guān)系
研究人員進一步分析了微型化光譜儀的偏差，如下圖，并計算了給定輸入峰值波長處的分辨率：Rλ = λ/Δλ，達(dá)到了約 0.27 nm 的平均波長偏差和高達(dá) 5,806 的分辨力。
重構(gòu)峰值波長與計算波長分辨能力的偏差
研究人員還將傳統(tǒng)光譜儀的分辨率測試應(yīng)用于其微型光譜儀：將兩個單色光峰同時照射到光譜儀上，并逐漸減小它們之間的間距，以研究微型化光譜儀仍能分辨這兩條光譜線的最小間距。如下圖所示，兩個間隔為 2.5 nm、位于約 518 nm 附近的峰值可以被分辨出來。
將傳統(tǒng)光譜儀的分辨率測試應(yīng)用于微型光譜儀的結(jié)果
這些結(jié)果表明，研究設(shè)計的微型化光譜儀的性能可與商用光纖光譜儀和其他小型光譜儀媲美，但成本和體積大幅減少。
在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步演示了該自適應(yīng)微型光譜儀在結(jié)合微流控及機械掃描系統(tǒng)后，在透射、吸收和光致發(fā)光光譜測量等常見實驗室應(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，如下圖 A-F 所示。
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) 對維生素 B 的透射光譜 (B) 和吸收光譜 (C) 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) 石墨烯量子點的光致發(fā)光譜重構(gòu)結(jié)果
除了性能優(yōu)異，更重要的是，該光譜儀可以通過成熟的集成電路工藝進行晶圓級制造，并具有毫米級尺寸，足以勝任大部分微型化光譜測試需求。
微型光譜儀的晶圓級制造（比例尺為 1 cm）
綜上所述，該研究為實現(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)用于移動便攜式測量、車載機器視覺和分布式監(jiān)測系統(tǒng)等領(lǐng)域。持續(xù)深耕材料等基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域上文提及的研究得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、上海市科委等項目的資助和支持，部分實驗在復(fù)旦大學(xué)微納加工與器件公共實驗室開展，梅永豐教授為該篇論文的通訊作者。
身為復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系教授，梅永豐一直是基礎(chǔ)研究的身體力行者和倡導(dǎo)者，他曾表示：「基礎(chǔ)研究以認(rèn)識現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)和開拓新的知識領(lǐng)域為目的，看起來離生活非常遠(yuǎn)，好像沒什么實際用處，但事實上，基礎(chǔ)研究是社會發(fā)展的最根本動力。就像蓋房子所需的一塊塊磚頭，雖然你不知道某一塊磚有什么用，但如果把這塊磚抽掉，房子就會坍塌。」
正是憑借這種理念，梅永豐教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組在基礎(chǔ)研究和材料科學(xué)領(lǐng)域做出了許多突出貢獻，發(fā)表 Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials 等學(xué)術(shù)論文 300 余篇，引用超 10,000 余次，發(fā)明專利授權(quán) 20 余項。
作為典型成果之一，2023 年 1 月，梅永豐課題組在 「Nature Communications」上發(fā)表題為「Self-rolling of vanadium dioxide nanomembranes for enhanced multi-level solar modulation」的文章。
研究團隊受到百葉窗的啟發(fā)，利用自卷曲技術(shù)將玻璃上的應(yīng)變二氧化釩薄膜脫附并卷曲成「葉片」陣列智能窗，通過環(huán)境溫度的變化調(diào)制智能窗為完全卷曲（開），半卷曲（半開）和平面（關(guān)閉）狀態(tài)，并實現(xiàn)自響應(yīng)智能切換，從而在全開狀態(tài)大幅提升透光率的同時，以不同的開度實現(xiàn)多級光透過調(diào)制。
該工作將智能二氧化釩薄膜材料的熱致形變能力與熱致色變能力創(chuàng)造性地結(jié)合在一起，突破了傳統(tǒng)平面薄膜難以兼顧透光率、節(jié)能效率和多環(huán)境適應(yīng)性的難點，為新一代的高效智能窗提供了一種新的可行性思路。
低溫下卷曲智能窗的宏觀示意圖
「二維納米膜自組裝成三維微結(jié)構(gòu)」被認(rèn)為是制造下一代微電子器件的重要途徑，對于即將到來的先進電子和光電子應(yīng)用至關(guān)重要。然而，二維納米薄膜最終幾何形狀的形成受到蝕刻軌跡、化學(xué)反應(yīng)、高寬比以及其他復(fù)雜因素影響，導(dǎo)致自組裝器件在制造過程中難以提高產(chǎn)品良率和成品率，嚴(yán)重阻礙了其從實驗室真正走向工業(yè)應(yīng)用。
針對于此，今年 6 月，梅永豐教授課題組在「Nature Communications」上發(fā)表了題為「Multilevel design and construction in nanomembrane rolling for three-dimensional angle-sensitive photodetection」的研究成果。
該研究提出了一種多級準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析法，并基于此設(shè)計構(gòu)筑了六類硅 (Si) /鉻 (Cr) 納米薄膜組裝三維微結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的三維光探測器，充分驗證了該技術(shù)的良好通用性和工業(yè)實踐性。* 點擊查看詳細(xì)報道：復(fù)旦大學(xué)梅永豐課題組集成 DNN 與納米薄膜技術(shù)，精準(zhǔn)分析入射光角度
未來，梅永豐教授課題組也將在微納米機械學(xué)、納米光學(xué)、納米電子學(xué)、微納機器人技術(shù)、微納流體學(xué)、微能源存儲、表面等離子體及超材料等方向深耕，持續(xù)推動基礎(chǔ)科學(xué)的進步。
參考資料：
1.https://news.fudan.edu.cn/2024/0820/c5a141853/page.htm
2.https://www.memstraining.com/news-41.html
3.https://www.sohu.com/a/634625615_120370286
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