光譜傳感檢測(cè)技術(shù)是科學(xué)研究和工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種光學(xué)分析技術(shù)，憑借其對(duì)物質(zhì)光譜指紋的特異性辨識(shí)能力，在生物醫(yī)藥、遙感測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域起到了不可替代的作用。隨著現(xiàn)場(chǎng)快檢和輕載荷平臺(tái)應(yīng)用需求的急劇增加，常規(guī)的桌面型光譜儀因?yàn)轶w積大、操作復(fù)雜、價(jià)格昂貴等問(wèn)題難以達(dá)到技術(shù)要求，迫切需要便攜式、低成本的光譜傳感檢測(cè)平臺(tái)；而大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，也有望通過(guò)與便攜式光譜檢測(cè)技術(shù)融合開啟全新的應(yīng)用。

近年來(lái)各種光譜系統(tǒng)小型化的技術(shù)層出不窮，甚至有芯片級(jí)的光譜檢測(cè)平臺(tái)的報(bào)道。這些技術(shù)通過(guò)各種先進(jìn)的光色散結(jié)構(gòu)與數(shù)十或數(shù)百單元的探測(cè)器陣列集成獲得片上集成的光譜采樣與解調(diào)，展現(xiàn)了極具特色的小型化光譜檢測(cè)平臺(tái)。目前大多數(shù)研究報(bào)道集中在可見光波段（400nm-700 nm）和短波近紅外波段（700nm-1100 nm），這是硅探測(cè)器完全覆蓋的波長(zhǎng)范圍。長(zhǎng)波近紅外（1100nm-2100 nm）乃至中遠(yuǎn)紅外波段雖然具有更為豐富的物質(zhì)特征光譜信息，但探測(cè)器陣列價(jià)格高，技術(shù)復(fù)雜，上述方案均面臨著成本快速增加的問(wèn)題，相關(guān)研究和應(yīng)用推廣緩慢。另外，基于單管探測(cè)器的片上集成調(diào)諧式光譜儀也通常受到調(diào)諧范圍的限制，僅具有較窄的工作波長(zhǎng)范圍。因此，迫切需要開發(fā)便攜式、低成本的紅外光譜傳感芯片。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，暨南大學(xué)陳沁教授和文龍教授團(tuán)隊(duì)針對(duì)這一問(wèn)題，提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)算法提高片上光譜傳感性能的方法，實(shí)現(xiàn)基于最小3個(gè)光譜通道就能獲得準(zhǔn)確的混合有機(jī)溶劑濃度測(cè)定和塑料分揀。相關(guān)結(jié)果以“On-ChipNear-Infrared Spectral Sensing with Minimal Plasmon-Modulated Channels”為題發(fā)表在Laser & Photonics Reviews期刊。

研究人員通過(guò)在InGaAs探測(cè)器陣列上直接集成表面等離子體共振帶通濾波器，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)方法提高光譜傳感精度，進(jìn)而減少所需光譜通道數(shù)，研制出緊湊型近紅外光譜傳感芯片（1100nm-1700 nm，如圖1），在混合有機(jī)溶劑濃度測(cè)定和塑料分揀等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的光譜傳感功能，提供了一種便攜式、低成本的光譜傳感檢測(cè)平臺(tái)。

圖1近紅外光譜傳感芯片

高性能片上集成帶通濾波器是光譜傳感芯片上實(shí)現(xiàn)限域空間高效色散和光譜解調(diào)的核心功能單元。研究團(tuán)隊(duì)首先提出了一種窄線寬和大自由譜寬的帶通濾波器的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在薄金屬覆蓋的淺刻蝕金屬光柵結(jié)構(gòu)中獲得了極低損耗的表面等離子體共振，實(shí)驗(yàn)中在1100nm-1700 nm超寬波長(zhǎng)范圍內(nèi)獲得窄線寬的單個(gè)透射峰（<10 nm），透射峰波長(zhǎng)可以通過(guò)改變光柵周期連續(xù)調(diào)控，并且該濾波器結(jié)構(gòu)可以通過(guò)單步光刻實(shí)現(xiàn)低成本的晶圓級(jí)的制備。 進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)將此濾波器與InGaAs探測(cè)器直接集成獲得了具有波長(zhǎng)選擇性采樣功能的光譜傳感芯片單元。不同于常用的壓縮感知光譜重構(gòu)技術(shù)，此工作采用了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的統(tǒng)計(jì)方法來(lái)提取目標(biāo)物的光譜特征，不僅避免了光譜重構(gòu)算法在不同類型光譜重構(gòu)中的不確定性問(wèn)題，還顯著減少了光譜傳感所需要的光譜通道單元。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不管是近紅外光譜差異較大的乙醇和丙酮的混合液，還是光譜差異極小的甲醇和乙醇混合液，基于所研制的光譜傳感芯片結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)方法都獲得了極高精度的濃度定量測(cè)試，而且通過(guò)優(yōu)化光譜采樣可以用最小3個(gè)光譜通道就獲得高精度的測(cè)試結(jié)果（預(yù)測(cè)模型的決定系數(shù)R2>0.92），顯著的降低了定制化近紅外光譜傳感芯片的尺寸和成本（如圖2）。研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步在塑料分揀、奶制品脂肪含量測(cè)試等實(shí)驗(yàn)中進(jìn)一步驗(yàn)證了相關(guān)技術(shù)的適用性（如圖3）。

圖2 光譜傳感芯片結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)統(tǒng)計(jì)方法獲得有機(jī)混合溶劑濃度測(cè)定

圖3 塑料分選和光譜成像 綜上所述，這項(xiàng)研究為如何在極低硬件資源限制條件下獲得高性能光學(xué)傳感檢測(cè)功能提供了新的技術(shù)思路，為光譜傳感乃至光學(xué)傳感檢測(cè)的大規(guī)模應(yīng)用提供了極具潛力的技術(shù)平臺(tái)。

審核編輯：彭菁