基于光谱可压缩调制和空间阵列滤波的智能手机光谱检测方法

Smartphone based spectroscopy has great application potential, due to the huge demand for smartphone based point-of-care testing and field measurement. It’s hard to realize high resolution detection in an ultra-thin and compact spectroscopic system based on current spectroscopy technologies. This project plans to study the key component and the corresponding spectral detection method. A new configuration is proposed where the input spectrum is filtered by a spatial array, and then detected with a CMOS array. The low sampling results are then reconstructed via reconstruction algorithms, and high resolution spectrum is expected to be recovered. For the filtering array design, it’s important to reduce the coherence between the spectral responses for each element, so that the signal detected in each element samples the input spectrum in an incoherent way. Due to the angular sensitivity of the spectral response of photonic crystals, a large amount of filtering elements with different spectral responses could be made by a fixed photonic crystal structure, via changing the spatial shaping. In that case, the key component, the spatial filtering array, can be realized with low complexity. Based on our previous studies on smartphone spectroscopy, and previous theoretical and experimental study on photonic crystal structures, this project proposes an ultra-compact spectroscopic system to realize high resolution measurement through low sampling detection, based on the study on design and fabrication of said incoherent spatial filtering array.

基于智能手机的现场便携检测具有巨大应用前景，其中光谱检测技术具有最重要的应用价值。针对目前光谱检测技术难以实现在超薄尺寸下分光，同时实现高精度检测的问题，本项目拟对光谱检测系统中的核心分光部件及相应光谱检测方法进行研究，提出通过对输入光谱进行空间阵列滤波，结合CMOS阵列检测，基于重构算法从低采样的检测结果中实现原始光谱信号的高分辨率恢复。其中通过对阵列滤波特性的矩阵设计，降低其光谱响应之间的相关性，使阵列中各单元的检测结果为原始光谱信号的不相关采样；基于光子晶体结构光谱响应的角度敏感性，采用单一光子晶体结构，通过改变空间构型，构建具有不同响应的大量滤波单元，实现核心的空间滤波阵列器件，降低系统实现复杂度。本项目基于申请人在智能手机光谱检测技术、光子晶体滤光结构的理论和实验等方面的良好研究基础，研究设计并实现上述低相关性的阵列滤波矩阵的方法，通过低采样检测在超薄尺寸实现高精度光谱重建。

基于智能手机的现场便携检测具有巨大应用前景，其中光谱检测技术具有最重要的应用价值。针对目前光谱检测技术难以实现在超薄尺寸下分光，同时实现高精度检测的问题，本项目针对光谱检测系统中的核心分光部件及相应光谱检测方法开展了研究，通过对输入光谱进行空间阵列滤波，结合CMOS阵列检测，基于重建算法从检测结果中实现原始光谱信号的高效恢复。针对核心分光部件空间阵列滤波器件，本项目分别围绕基于特定空间构型的低成本柔性滤光薄膜的阵列滤波器件、规则线性变化滤光器件、利用纳米压印实现的基于柔性基底材料的空间形貌变化的表面光栅光谱调制器件，以及片上具有随机滤波特性的硅基光子散射器件等开展了研究工作；针对光谱检测方法，本项目分别围绕了基于线性回归的数据重建方法，包括Tikhonov正则化方法和基于稀疏分解的重建方法等，以及基于神经网络的数据重建方法开展了研究工作。.本项目在基于低成本柔性滤光薄膜的光谱检测方面，提出并设计了以特定空间构型来调制原本单一均匀的光谱响应，获得随位置变化的空间阵列滤波效果，结合Tikhonov正则化方法研究了光谱检测系统受噪声的影响效果；在基于规则线性变化滤光器件的光谱检测方面，采用卷积神经网络对输入光谱进行重建，并与降噪算法进行比较，准确度获得明显提高；在基于空间形貌变化的柔性基底材料表面光栅调制器件的光谱检测方面，研究并实现了空间形貌可调控的柔性基底表面光栅器件的设计、加工、测试和优化，采用基于字典学习的稀疏分解等方法可实现光谱的有效重建。研究成果在国内外刊物和重要学术会议上发表论文13篇，其中期刊论文8篇（7篇SCI+1篇光学学报综述），申请发明专利2项（已授权1项）。