中國科學家研發晶圓級AI光譜儀，登《PNAS》封面

　　光的波長探測在科學研究和工業應用中具有重要作用，光學光譜儀是其中不可或缺的分析工具。如今，體積龐大的傳統光譜儀已經無法滿足日益發展的光譜檢測技術需求，微型化成為光譜儀發展的必由之路，其在機器視覺、環境監測、醫學診斷等各個領域具有巨大的應用潛力。

　　光譜儀的微型化有多條不同的技術路線，依賴人工智能算法的計算重構式光譜儀近年來備受業界關注。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，以往報道的重構式微型光譜儀通常需要人工校準算法參數，否則待測光譜的還原結果可能會失真。同時，這類光譜儀通過集成電路工藝直接實現大規模生產的能力也尚未得到驗證。

　　在此背景下，復旦大學材料科學系、智慧納米機器人與納米系統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，該成果還被選為當期封面文章。

　　梅永豐教授課題組的微型光譜儀工作當選「美國科學院院刊」封面

　　該團隊提出了一種新的微型化重構光譜儀設計，結合了傳統光譜儀和計算重構光譜儀的優勢，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空間進行光譜和算法參數的同時搜索。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光譜儀設計，在整個可見光波段 (400-800 nm) 表現出準確的光譜重構能力，可達到約 2.5 nm 的分辨率、約 0.27 nm 的平均波長偏差、高達 5,806 的分辨力* 該研究為實現具有通用性與高魯棒性的微型重構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，并提供海量數據集與工具：https://github.com/hyperai/awesome-ai4s數據集：對不同的數據集應用不同的光譜推導方法研究人員將從微型光譜儀獲得的電流數據劃分為 2 個數據集：窄帶通道電流 (narrowband channel currents) 和全部通道電流 (total channel currents)，然后對每個數據集應用不同的光譜推導方法。

　　* 窄帶數據集

　　包括在其設計的法布里-佩羅 (Fabry–Perot, FP) 腔體內具有窄帶過濾功能通道測得的電流。對于該數據集，研究人員通過將每個通道的響應電流除以其響應度，直接推導出點對點的光譜曲線——稱之為自參考光譜。

　　* 全部通道數據集

　　包含來自所有通道的電流，也包括窄帶通道。對于該數據集，研究人員通過將算法重構光譜結果與自參考光譜（從窄帶通道推導得出）相比較，迭代優化算法參數，實現最優化的光譜曲線重構還原。工作原理：通過引入自參考光譜重建出準確且穩定的光譜下圖 A 展示了傳統光譜儀 (Conventional spectrometer) 的工作原理，它利用窄帶 (Narrow bandpass) 濾光片來區分不同的波長，每個波長的強度是基于通過相應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，但每個濾光片對應波長位置相對準確。

　　傳統光譜儀和典型重構光譜儀的工作原理

　　上圖 B 描述了典型重構光譜儀 (Reconstructive spectrometer) 的工作原理。光譜儀將未知光譜編碼 (Encoder) 為收集到的數據，然后通過帶有參數 Φ 的監督算法將這些數據重建為光譜。該算法在光譜參數空間 S 中尋找最小的損失函數 (Minimum cost function)，通常通過 Tikhonov 或全變差 (Total variation)等正則化方法實現。雖然這種重建可以得到高分辨率的光譜，但結果可能不穩定，因為不同的參數 Φ 選擇可能會導致不同的最小損失函數。

　　下圖 C 展示了本研究提出的自適應光譜儀 (Self-adaptive spectrometer) 的工作原理。除了將光譜編碼為算法的數據外，光譜儀還以傳統方式提供了一個粗略的自參考光譜。通過這一自參考，可以在光譜參數空間 S 和算法參數空間 Φ 中實現雙層優化，從而使最小損失函數的搜索涵蓋更高的維度。這使得能夠通過自動選擇最優參數來識別全局最小損失函數 (Global minimum cost function)，從而重建出準確且穩定的光譜。

　　自適應光譜儀的工作原理

　　下圖進一步展示了自適應光譜的重建過程，即自適應算法。

　　自適應算法示意圖

　　具體而言，微型化光譜儀具有一組用于常規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據。第一組是窄帶響應 (narrow spectrum response) 通道的電流，可以看作是特定波段的光譜強度與負責該波段的通道響應的標量積，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相乘后的積分結果 (Scalar-product response)。

　　研究人員引入了從第一組數據集中獲得的光譜結果，作為第二組電流集計算解決方案的自參考，通過這一過程，算法可以自行調整各種參數，并通過內在的迭代獲得接近真實光譜的穩定結果。研究結果：在整個可見光波段表現出準確的光譜重構能力波長分辨率是光譜儀的重要參數，尤其在波長計或高精度材料識別等應用中。在測試性能的試驗中，該光譜儀在整個可見光波段 (400-800 nm) 表現出準確的光譜重構能力。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，達到了約 0.27 nm 的平均波長偏差和高達 5,806 的分辨力。

　　重構峰值波長與計算波長分辨能力的偏差

　　研究人員還將傳統光譜儀的分辨率測試應用于其微型光譜儀：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。

　　將傳統光譜儀的分辨率測試應用于微型光譜儀的結果

　　這些結果表明，研究設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。

　　在此基礎上，研究團隊進一步演示了該自適應微型光譜儀在結合微流控及機械掃描系統后，在透射、吸收和光致發光光譜測量等常見實驗室應用中的表現，其結果與商業化光纖光譜儀基本一致，如下圖 A-F 所示。

　　微型光譜儀的應用

　　(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) 重構結果；

　　(D) 微型光致發光光譜測試示意圖；

　　(E) 羅丹明 B 的光致發光譜重構結果；

　　(F) 石墨烯量子點的光致發光譜重構結果

　　除了性能優異，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，該研究為實現具有通用性與高魯棒性的微型重構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融入 CIS 圖像模組，從而優先應用于移動便攜式測量、車載機器視覺和分布式監測系統等領域。持續深耕材料等基礎科學領域上文提及的研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市科委等項目的資助和支持，部分實驗在復旦大學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。

　　身為復旦大學材料科學系教授，梅永豐一直是基礎研究的身體力行者和倡導者，他曾表示：「基礎研究以認識現象、發現和開拓新的知識領域為目的，看起來離生活非常遠，好像沒什么實際用處，但事實上，基礎研究是社會發展的最根本動力。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，梅永豐教授領導的課題組在基礎研究和材料科學領域做出了許多突出貢獻，發表 Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials 等學術論文 300 余篇，引用超 10,000 余次，發明專利授權 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，利用自卷曲技術將玻璃上的應變二氧化釩薄膜脫附并卷曲成「葉片」陣列智能窗，通過環境溫度的變化調制智能窗為完全卷曲（開），半卷曲（半開）和平面（關閉）狀態，并實現自響應智能切換，從而在全開狀態大幅提升透光率的同時，以不同的開度實現多級光透過調制。

　　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造性地結合在一起，突破了傳統平面薄膜難以兼顧透光率、節能效率和多環境適應性的難點，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構」被認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用至關重要。然而，二維納米薄膜最終幾何形狀的形成受到蝕刻軌跡、化學反應、高寬比以及其他復雜因素影響，導致自組裝器件在制造過程中難以提高產品良率和成品率，嚴重阻礙了其從實驗室真正走向工業應用。

　　針對于此，今年 6 月，梅永豐教授課題組在「Nature Communications」上發表了題為「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靜態有限元分析法，并基于此設計構筑了六類硅 (Si) /鉻 (Cr) 納米薄膜組裝三維微結構及相應的三維光探測器，充分驗證了該技術的良好通用性和工業實踐性。* 點擊查看詳細報道：復旦大學梅永豐課題組集成 DNN 與納米薄膜技術，精準分析入射光角度

　　未來，梅永豐教授課題組也將在微納米機械學、納米光學、納米電子學、微納機器人技術、微納流體學、微能源存儲、表面等離子體及超材料等方向深耕，持續推動基礎科學的進步。

　　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