导读

微型化片上计算光谱仪与传统光谱仪相比，摒弃了大型色散元件和长光路系统，转而采用光谱响应单元，并通过计算重建算法来恢复未知光谱。它具备占地面积小、重量轻、成本低的优势，因此在便携式光学传感和智能电子设备领域得到了广泛应用。然而，受限于计算光谱仪的尺寸，其光谱分辨率受到集成光谱响应单元数量的制约。因此，在不增加光谱仪尺寸的前提下提高光谱分辨率显得尤为重要。

近期，北京航空航天大学的王帆教授、刘保磊助理教授以及钟晓岚教授的科研团队创新性的提出了一种基于电致变色滤光片的微型计算光谱仪，为解决这一难题提供了潜在的解决方案。该技术通过电压变化来调控滤光片的光谱响应，在少量滤光片阵列的前提下，有效增加光谱仪的采样数，进而实现了更高的光谱分辨率。实验结果表明，这种方法能够提高光谱分辨率，在电致变色的调控下，重建光谱和参考光谱之间的误差从1.61 nm减小到0.29 nm。此外，由于电致变色滤光片具有高透明度和均匀性，可以作为附加滤光片直接应用于高光谱成像。

相关研究成果以“Miniaturized on-chip spectrometer enabled by electrochromic modulation”为题，发表在Light: Science & Applications期刊上。北航博士生田梦寒和刘保磊助理教授为共同第一作者，刘保磊助理教授，钟晓岚教授和王帆教授为该论文的通讯作者。

研究背景

微型计算光谱仪利用一组由光谱响应单元编码的预校准光谱响应信息，借助计算技术来近似或重建未知入射光的光谱。科学家们已探索并采用多种方法制备光谱响应单元，包括量子点滤光片阵列、光子晶体阵列、等离子体微腔阵列以及钙钛矿调制等。然而，计算光谱仪的光谱分辨率受限于光谱响应单元的数量。虽然在给定光谱范围内增加滤光片单元数量能够提高光谱分辨率，但在实际应用中，由于光谱仪尺寸的限制，滤光片阵列单元的数量往往是有限的。因此，在不增加滤光片单元数量的前提下，提高光谱分辨率具有重要的研究价值和实际应用意义。

电致变色滤光片

作者团队提出通过电致变色调控来解决光谱分辨率受光谱响应单元数量限制的问题。电致变色是一种在外部电压驱动下，材料的颜色、透射光谱和其他光学特性发生可逆变化的现象。电致变色器件具有电可调光谱响应特性，在宽光谱范围内具有丰富的颜色和光谱变化。这表明可以在不增加滤光片单元数量的情况下，通过对滤光片阵列施加电驱动来调控光谱响应函数，从而增加光谱仪的采样数量，提高光谱仪分辨率。

所提出的用于光谱编码的电致变色滤光片如图1所示。利用色偏振效应，将具有双折射性质的电致变色器件置于两个具有不同偏振光轴夹角的偏振片之间，制备成电致变色滤光片阵列，每个滤光片单元具有不同的光谱响应。

图1：电致变色滤光片示意图

基于电致变色的计算光谱仪

电致变色计算光谱仪的工作原理如图2所示。T_i^k(λ)表示第i个电致变色滤光片单元在第k个(k= 1、2、3)电压下的透射光谱，I_i^k表示未知入射光在不同电压下每个滤光片单元对应的透射光强度。m (m = 1、2、3)表示使用不同组电压，m个电压组的测量强度I_i^k与m个电压组的预校准响应函数T_i^k(λ)一起用于重建未知入射光。实验结果表明，随着外加电压的增多，即光谱仪采样数量的增加，可以提高重建光谱的光谱分辨率。

图2：电致变色计算光谱仪原理示意图

为了进一步证明电致变色对提高计算光谱仪性能的作用，将使用的滤光片单元数量减少到只有4个或2个对未知入射光进行重建，如图3所示。对不同的窄带和宽带信号进行了测量和重建，结果表明随着电压的增加，重建光谱也显示出更好的分辨率。这表明仅使用少量滤光单元或单个滤光单元的计算光谱仪具有潜在的可行性。

图3：仅使用四个滤光片单元的光谱仪方案

基于单个滤光片的高光谱成像

由于电致变色滤光片具有高透明度和均匀特性，可以作为附加滤光片应用于高光谱成像。本研究仅使用一个电致变色滤光片演示高光谱成像，如图4所示。物体通过滤光片后，可以直接在CMOS传感器的平面上成像，通过旋转第一个偏振片以产生不同的光谱响应单元并施加电压调制，从而得到高分辨率的高光谱图像。

图4：基于单个滤光片的高光谱成像方案及结果

应用与展望

本研究提出了一种电致变色片上光谱仪，该光谱仪使用电致变色滤光片阵列，其透射光谱可以通过施加电压来调节，有效地提高了采样数和重建光谱质量。与没有电压调制的传统方法结果相比，本工作的重建光谱质量得到了明显改善，并通过测量多个窄带和宽带信号加以验证。在外加电压下，仅使用四个或两个滤光片单元也可以较好的重建入射光谱，证明了可以开发具有较少滤光片单元的计算光谱仪。此外，通过使用单个电致变色滤光片演示了具有高分辨率的高光谱成像，这为开发成本效益高、易于制备的微型光谱仪或集成高光谱成像系统开辟了新的机会。（来源：中国光学微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01638-4