光谱图像的数据由物体的二维空间信息和一维光谱信息共同构成，能更准确地反映目标物体固有的材质特性，因而在医疗诊断、食品安全、天文探测、人脸识别、地质勘探等领域有广阔的应用前景。总体而言，光谱成像系统的优化重点在于对系统体积、光谱分辨率、时间成本和算力成本等因素的权衡。其中色散型光谱成像利用物理分光的约束，使不同波长的光线按照预定的分光位置分离，具备较高的物理稳定性。
据麦姆斯咨询报道，南京大学固体微结构物理国家重点实验室的科研团队为解决传统高光谱成像系统以光程换取分辨率而导致的光路复杂、成本高昂、体积庞大等问题，提出了基于色散型超构表面的光谱成像系统。超构表面中的每个超构色散单元，都相当于一个小型的光谱仪，按照阵列排布实现快照式光谱成像。采用遗传算法对得到的图像进行光谱反演，所得拟合结果准确。最终在400~700 nm的可见光波段实现了11个波长通道的光谱成像系统。本设计的紧凑结构、偏振不依赖特性和高光谱分辨率有利于各种小型化终端设备的集成，对光谱仪的实际应用具有重要意义。相关研究内容以“基于色散型超构表面的集成光谱成像”为题发表在《光学学报》期刊上。
在衍射方向可实现高效率色散。以二氧化钛作为超构单元材料，二氧化硅作为衬底材料。基于传输相位的调控原理，通过改变超构原子的纳米柱直径来调控超构色散单元的相位，在超构表面的不同位置引入计算得到的相位，以实现超构色散单元阵列对入射光的色散调控。超构原子的单元结构如图1（a）所示，其几何构型设置为圆柱体，单元的基底截面设置为正方形。如图1（d）所示，采用阵列化的排布方式，利用超构表面工艺套刻技术，将不存在超构色散单元的部分设置为不透光的掩模，实现器件掩模与分光功能的一体化，掩模避免了相邻像素的分光发生串扰。由图1可见，在波长为400~700 nm时，经过挑选的超构原子参数既能保证0~2π的相位覆盖，又能保证所设计的超构表面在该可见光波段具有较高的透过率。
图1 超构表面振幅和相位调制
基于超构原子结构库，构建了集色散与掩模功能于一体的超构表面，并通过仿真的光谱成像系统，对光谱三维数据立方体进行前端物理层面处理和成像捕捉。各超构色散单元相当于一个微型光谱仪，能单独进行色散，其色散原理如图2（a）所示，白光入射光经过色散型超构表面后，不同波长的光在衍射方向上分开，色散到图像传感器上的不同位置。设计的超构表面单元对偏振不敏感，不会由于偏振依赖而造成任何能量的损失，因此在自然光入射下可保持高效率。整个光谱成像系统的原理如图2（b）所示，透镜将物体成像在色散型超构表面上，超构表面将不同波长的光色散到图像传感器上的不同位置处，由于入射光线角度会对超构表面相位调控以及衍射角度产生影响，因此在仿真过程中设置入射光为平行光。
图2 光谱成像原理：（a）色散型超构表面原理图；（b）基于色散型超构表面的光谱成像系统原理图
为了表征所设计的色散型超构器件的分光性能，采用数值模拟的方法对各个单波长进行单通道仿真。在给定的400~700 nm的光谱带宽范围内，同时对入射波长的11个光谱通道进行色散。如图3（a）~（k）所示，整个光谱成像系统最终在设定的300 nm带宽范围内产生了长度为12 μm的色散距离，图3（l）展示了11通道的总仿真图。
图3 光谱成像系统在400~700 nm波段、间隔为30 nm的11个光谱通道的单波长仿真图和全部通道的仿真图
为验证设计的色散型光谱成像系统的光谱信息捕获能力，通过光线追迹软件将输入图像通过成像色散单元成像于超构表面所在位置。由于超构表面结构较为复杂，不易在光线追迹软件中仿真，根据折射定律和光栅方程，设计的超构表面与光栅等效，因此采用等效光栅周期为1608.09 μm的光栅和掩模层的组合，代替设计的超构色散单元阵列进行仿真。通过验证在不同的光谱密度下光谱混叠图像的差异，最终选择了11个光谱通道作为输出的图像，如图4所示，其中图4（a）为用来仿真的原始图像，图4（b）为仿真得到的光谱图像，其中每一个光斑都对应着图4（c）中的一个像素，后期通过成像算法的反演计算，可以获取光斑对应像素点的完整光谱信息。
图4 色散型超构表面全图仿真
由于前端成像系统无法直接获取光谱信息，需要后期算法的处理以重新提取光谱曲线。因此，设计的光谱成像系统主要由两个部分组成——物理光学分光和后期图像处理。本研究选择遗传算法进行光谱反演。遗传算法是一种启发式搜索算法，通过模拟生物进化过程中的自然选择和基因遗传机制，建立合理的优化目标函数以寻找最优解。遗传算法适用于求解多个要素构成的最优解求取问题，适配于本研究由11个通道的光强系数构成最优解的光谱反演任务。遗传算法对仿真得到的分光结果进行归一化光谱反演的具体过程如图5（a）所示。
图5 使用遗传算法进行光谱曲线反演
这项研究基于传输相位的调控方法，设计了一种工作波段为400~700 nm的色散型超构表面，实现了可见光波段的色散型光谱成像系统。所设计的单元结构以二氧化钛为材料，采用时域有限差分法优化了超构原子的直径，并根据设计的相位补偿确定了超构表面的参数值和对应的排布方式。最终在400~700 nm可见光波段选取了11个光谱通道作为输出，并采用光线追迹软件进行了全图仿真，验证了光谱成像系统的分光成像效果。在光谱反演阶段，选取遗传算法进行30代优化，获取归一化光谱，反演出的三种不同的归一化光谱均与对应的真实光谱准确拟合，实现了光谱分辨率为30 nm的集成光谱成像系统。
所提出的色散型超构表面可直接集成到图像传感器上，构成光谱成像系统，且不受入射光偏振态的影响，能够增加系统的适用场景，后续可以引入不同参数的超构原子，以实现光谱分辨率更高的光谱成像系统。虽然这项研究只在可见光波段进行了仿真验证，但光谱成像系统的设计原理和方法也可以推广到近红外等其他波段。
DOI: 10.3788/AOS240799
