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近日，芬兰阿尔托大学孙志培等研究人员在《Light: Science & Applications》杂志上发表了题为“Reconstructive spectrometers taper down in price”的综述文章。

长期以来，光谱学一直是工业和科学研究中不可或缺的工具。 便携性是许多新兴应用的关键特性，例如快速增长的可穿戴电子产品市场。 需要将更经济和更小尺寸的光谱仪集成到紧凑型设备中，例如监测人体生物信号的智能手表和可以检测假药的便携式分析仪。 或许在未来，人们甚至可以通过智能手机或智能眼镜检测到看不见的食物变质。 尽管研究人员为开发不同种类的光谱仪做出了巨大努力，但计算重构光谱仪有望在低成本、稳定、紧凑、快速、节能和高分辨率光谱学的竞赛中处于领先地位。

传统的光谱仪依靠色散元件（通常是光栅或棱镜）将入射光分离成其构成的“颜色（频率）”； 然后使用一维检测器阵列读取光谱。 通常光纤光谱仪 工作原理，光谱分辨率与线性尺寸成比例，因此这些光谱仪往往体积庞大。 相比之下，计算重建光谱仪的设计使得每个入射波长产生复杂但独特的模式作为输出信号。 经过训练以表征设备对已知频谱的响应后，可以使用计算算法从设备对照明的响应中提取未知频谱的频率内容。

计算重建光谱仪在设计上比台式光谱仪更紧凑，而不会牺牲太多性能。 几十微米量级的最小尺寸出现在输出电信号的设备上。 这样的设备表现为可调谐能量滤波器，典型地典型地作为施加的电信号的函数。 然而，直到现在，这些超紧凑型光谱仪在重现性、稳定性和操作速度方面都面临着许多问题。 另一方面，最高光谱分辨率是由利用多模干涉来创建波长相关空间模式的设备获得的。 例如，研究人员之前已经从多模光纤锥泄漏的光中提取了光谱信息。 虽然只有几百微米长的干涉区域足以获得皮米级光谱分辨率，但需要外部光学器件来成像和捕获空间模式，这阻碍了这些光谱仪的便携性。

在最新一期的 eLight 期刊中，浙江大学的 Yaoguang Ma 及其同事报告了一种基于多模干涉测量法的紧凑型独立计算重建光谱仪，该光谱仪将锥形光纤放置在 CMOS 图像传感器上。 整个功能单元的大小约为1平方毫米。 光谱仪的工作原理如图1所示。输入光首先从单模光纤耦合到多模光纤，激发多个横向光模。 然后光纤逐渐变细，允许多种模式以复杂的空间模式泄漏出去。 由于不同的波长具有不同的模式指数光纤光谱仪 工作原理，因此每个波长的空间模式都是唯一的。 泄漏的光由 CMOS 图像传感器直接捕获，并由轻量级视觉转换网络进行分析。 神经网络可以以低至 ~1pm 的分辨率重建输入频谱。 来自传感器的单次发射（数十毫秒和微瓦）足以收集足够的信息来推断频谱。 值得注意的是，该研究还表明，许多光纤锥可以放置在同一个传感器上，从而能够同时采集多个光谱以进行光谱成像。

图1 多模干扰独立计算重构光谱仪工作原理

这种方法的一个主要优点是携带光谱信息的光学图案由成熟的商业 CMOS 图像传感器读取，这是一项成熟的技术。 因此，该光谱仪可以与便携式设备集成； 无需开发额外的读出电子设备。 除了便携之外，这种光谱仪的制造成本也很低。 该团队提出了一种经济（不到 15 美元）且易于制造的光谱仪设计（纤维锥甚至可以手工或使用酒精灯制作）。

这项技术有望在重视便携性的光谱仪应用中大放异彩。