中國(guó)科學(xué)家研發(fā)晶圓級(jí)AI光譜儀，登《PNAS》封面
光的波長(zhǎng)探測(cè)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(cè)技術(shù)需求，微型化成為光譜儀發(fā)展的必由之路，其在機(jī)器視覺、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)診斷等各個(gè)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(jì)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(jì)算來部分替代物理分光元件的工作負(fù)荷，能進(jìn)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(hào)稀疏性假設(shè)，以往報(bào)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(cè)光譜的還原結(jié)果可能會(huì)失真。同時(shí)，這類光譜儀通過集成電路工藝直接實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的能力也尚未得到驗(yàn)證。
在此背景下，復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系、智慧納米機(jī)器人與納米系統(tǒng)國(guó)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(guó)科學(xué)院院刊」封面
該團(tuán)隊(duì)提出了一種新的微型化重構(gòu)光譜儀設(shè)計(jì)，結(jié)合了傳統(tǒng)光譜儀和計(jì)算重構(gòu)光譜儀的優(yōu)勢(shì)，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(jìn)行光譜和算法參數(shù)的同時(shí)搜索。更進(jìn)一步，該光譜儀可以通過成熟的集成電路工藝進(jìn)行晶圓級(jí)制造，并具有毫米級(jí)尺寸，足以勝任大部分微型化光譜測(cè)試需求。
研究亮點(diǎn)：* 該研究提出了一種新型微型化重構(gòu)光譜儀設(shè)計(jì)，在整個(gè)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(zhǎng)偏差、高達(dá) 5,806 的分辨力* 該研究為實(shí)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(dòng)微型光譜探測(cè)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(xiàng)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(duì)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(gè)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(duì)每個(gè)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(jì)的法布里-佩羅 (Fabry–Perot, FP) 腔體內(nèi)具有窄帶過濾功能通道測(cè)得的電流。對(duì)于該數(shù)據(jù)集，研究人員通過將每個(gè)通道的響應(yīng)電流除以其響應(yīng)度，直接推導(dǎo)出點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(duì)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(shí)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(zhǎng)，每個(gè)波長(zhǎng)的強(qiáng)度是基于通過相應(yīng)濾光片的光量直接測(cè)量的。這個(gè)過程可以描述為「點(diǎn)對(duì)點(diǎn)」的映射，雖然得到的光譜較粗略，但每個(gè)濾光片對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)位置相對(duì)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(shí)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?yàn)椴煌膮?shù) Φ 選擇可能會(huì)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(gè)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(shí)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(dòng)選擇最優(yōu)參數(shù)來識(shí)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(jìn)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(cè)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(qiáng)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(gè)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(gè)波長(zhǎng)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(jì)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(shí)光譜的穩(wěn)定結(jié)果。研究結(jié)果：在整個(gè)可見光波段表現(xiàn)出準(zhǔn)確的光譜重構(gòu)能力波長(zhǎng)分辨率是光譜儀的重要參數(shù)，尤其在波長(zhǎng)計(jì)或高精度材料識(shí)別等應(yīng)用中。在測(cè)試性能的試驗(yàn)中，該光譜儀在整個(gè)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(zhǎng)與輸出重建峰值波長(zhǎng)的對(duì)比，顯示出良好的一致性。
重建光譜的峰值波長(zhǎng)與輸入峰值波長(zhǎng)的關(guān)系
研究人員進(jìn)一步分析了微型化光譜儀的偏差，如下圖，并計(jì)算了給定輸入峰值波長(zhǎng)處的分辨率：Rλ = λ/Δλ，達(dá)到了約 0.27 nm 的平均波長(zhǎng)偏差和高達(dá) 5,806 的分辨力。
重構(gòu)峰值波長(zhǎng)與計(jì)算波長(zhǎng)分辨能力的偏差
研究人員還將傳統(tǒng)光譜儀的分辨率測(cè)試應(yīng)用于其微型光譜儀：將兩個(gè)單色光峰同時(shí)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(gè)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(cè)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(jì)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(tuán)隊(duì)進(jìn)一步演示了該自適應(yīng)微型光譜儀在結(jié)合微流控及機(jī)械掃描系統(tǒng)后，在透射、吸收和光致發(fā)光光譜測(cè)量等常見實(shí)驗(yàn)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(cè)試示意圖；
(B-C) 對(duì)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(cè)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(diǎn)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(jìn)行晶圓級(jí)制造，并具有毫米級(jí)尺寸，足以勝任大部分微型化光譜測(cè)試需求。
微型光譜儀的晶圓級(jí)制造（比例尺為 1 cm）
綜上所述，該研究為實(shí)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(dòng)微型光譜探測(cè)系統(tǒng)融入 CIS 圖像模組，從而優(yōu)先應(yīng)用于移動(dòng)便攜式測(cè)量、車載機(jī)器視覺和分布式監(jiān)測(cè)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市科委等項(xiàng)目的資助和支持，部分實(shí)驗(yàn)在復(fù)旦大學(xué)微納加工與器件公共實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)和開拓新的知識(shí)領(lǐng)域?yàn)槟康模雌饋黼x生活非常遠(yuǎn)，好像沒什么實(shí)際用處，但事實(shí)上，基礎(chǔ)研究是社會(huì)發(fā)展的最根本動(dòng)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(huì)坍塌?！?/p>
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(xiàn)，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(xiàng)。
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(tuán)隊(duì)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(shí)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(shí)，以不同的開度實(shí)現(xiàn)多級(jí)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(diǎn)，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(duì)于即將到來的先進(jìn)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(shí)驗(yàn)室真正走向工業(yè)應(yīng)用。
針對(duì)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(jí)準(zhǔn)靜態(tài)有限元分析法，并基于此設(shè)計(jì)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(cè)器，充分驗(yàn)證了該技術(shù)的良好通用性和工業(yè)實(shí)踐性。* 點(diǎn)擊查看詳細(xì)報(bào)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(jī)械學(xué)、納米光學(xué)、納米電子學(xué)、微納機(jī)器人技術(shù)、微納流體學(xué)、微能源存儲(chǔ)、表面等離子體及超材料等方向深耕，持續(xù)推動(dòng)基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)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
-
項(xiàng)目成果
-
科技前沿
-
項(xiàng)目成果
-
焦點(diǎn)事件
