IC695CPE310采用单片超构表面与元注意力网络实现快照式近红外光谱成像

日前，北京理工大学王涌天教授、黄玲玲教授团队联合张军院士、边丽蘅教授团队，采用单片超构表面与元注意力网络实现快照式近红外光谱成像。该方法充分利用C4对称超构表面结构单元丰富的光谱编码随机性以及结构单元之间的低相关系数的特点，结合基于元注意力网络先验的迭代去噪重建算法的优异性能，实现了具有高光谱分辨率和低串扰的近红外光谱快照成像。相关成果以“Meta-attention network based spectral reconstruction with snapshot near-infrared metasurface”为题发表于Advanced Materials期刊。    图1 基于近红外超构表面的快照式光谱重构   光谱信息作为不同物质的光学指纹，能够在多种场景下用于物质的鉴定与识别，在遥感探测、智慧农业、生物监测、化学分析等多个领域取得了广泛的应用。然而，现有的光谱成像系统多采用窄带滤光片或者棱镜、光栅等色散元件实现不同波长信息的提取。采用窄带滤光片，已发展出分焦面（DoFP）和分时（DoT）探测两种方式。采用DoFP方式时，光谱图像的空间分辨率与光谱分辨率互相限制；而对于DoT方式，光谱成像的时间分辨率受限，难以适用于高速运动场景的准确获取。对于编码孔径快照式光谱成像（CASSI）系统，相对庞大的体积限制了其与移动设备的集成。  近年来，许多研究者采用超构表面、光子晶体、纳米线、二维材料等一系列光学材料，实现了小型化、集成化的快照式光谱成像系统。然而，此前的研究大多集中于可见光波段，针对近红外波段光谱成像的研究还有待进一步深入。此外，重构算法在快照式光谱系统中也扮演了极为关键的角色，而目前的算法在重建性能和真实场景泛化性上，尤其是对于基于超构表面的成像系统，仍存在较大挑战。  为了在近红外波段实现高质量的快照式光谱成像，上述团队设计基于元注意力网络的近红外超构表面快照式光谱成像系统。研究人员设计出25种不同的超构表面结构单元对入射光谱进行调制，并提出一种基于元注意力网络先验的迭代去噪重构算法对单次拍摄得到的灰度图像进行重构，在算法重构的过程中，充分利用了超构表面结构单元规则的空间排布方式与随机的光谱编码过程，最终实现了光谱图像的准确恢复。  超构表面结构单元的设计细节如图2所示。为了提高对近红外波段能量的利用率，研究团队选取非晶硅作为纳米天线的材料，共设计出25种具有C4对称性质的结构单元，每种结构单元具有相同的周期（1.5 μm）与高度（600 nm），且每个结构单元被划分为边长相同（100 nm）的正方形区域，可在不同区域填充非晶硅纳米天线，不同结构单元的区别仅在于纳米天线的空间排布不同。考虑结构的C4对称性，在每个结构单元内共可以设计出243种不同的纳米天线排布方式，大大拓展了结构设计自由度。纳米天线丰富的空间排布方式与互相之间的共振作用使得结构单元的透射光谱曲线上具有随机而丰富的共振峰，并且使得不同结构单元透射光谱之间的相关性较低，本研究中25种结构的相关系数平均值仅为0.13，从而为充分调制入射光谱并实现准确重构提供可能性。