[论文解读] One-shot ultraspectral imaging with reconfigurable metasurfaces

Xusheng Cai, Jian Xiong+9 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2020

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 5被引用 6

一句话总结

本文提出一种芯片级单次曝光超光谱成像系统，采用可重构超表面微单元阵列（含158,400个单元），在0.5 cm²芯片上实现6,336个动态微光谱仪。通过结合压缩感知与超表面重构技术，系统实现超高的光谱分辨率（0.8 nm）、中心波长精度（0.04 nm标准差），并覆盖300 nm可见光谱范围，Δλ/λ ~ 0.001。

ABSTRACT

One-shot spectral imaging that can obtain spectral information from thousands of different points in space at one time has always been difficult to achieve. Its realization makes it possible to get spatial real-time dynamic spectral information, which is extremely important for both fundamental scientific research and various practical applications. In this study, a one-shot ultraspectral imaging device fitting thousands of micro-spectrometers (6336 pixels) on a chip no larger than 0.5 cm$^2$, is proposed and demonstrated. Exotic light modulation is achieved by using a unique reconfigurable metasurface supercell with 158400 metasurface units, which enables 6336 micro-spectrometers with dynamic image-adaptive performances to simultaneously guarantee the density of spectral pixels and the quality of spectral reconstruction. Additionally, by constructing a new algorithm based on compressive sensing, the snapshot device can reconstruct ultraspectral imaging information ($\Delta\lambda$/$\lambda$~0.001) covering a broad (300-nm-wide) visible spectrum with an ultra-high center-wavelength accuracy of 0.04-nm standard deviation and spectral resolution of 0.8 nm. This scheme of reconfigurable metasurfaces makes the device can be directly extended to almost any commercial camera with different spectral bands to seamlessly switch the information between image and spectral image, and will open up a new space for the application of spectral analysis combining with image recognition and intellisense.

研究动机与目标

• 为克服在单次快照中实时获取数千个空间点的高密度光谱数据的挑战。
• 通过将可重构超表面与压缩感知技术结合，实现动态、图像自适应的光谱重建。
• 在紧凑的芯片级平台上，实现宽可见光谱范围（300 nm）内的超高光谱分辨率与中心波长精度。
• 开发一种可与商用相机无缝集成的系统，实现标准成像与光谱成像模式之间的实时切换。

提出的方法

• 设计由158,400个独立超表面单元组成的可重构超表面微单元阵列，以动态调控6,336个微光谱仪的光调制。
• 实施一种新型基于压缩感知的算法，从单次快照中重建超光谱数据，最大限度减少数据采集时间并保持光谱保真度。
• 利用超表面的可调谐性，实现光谱响应对空间图像内容的动态适应，从而提升重建质量和像素密度。
• 对系统进行校准，以在300 nm可见光谱范围内实现高光谱精度（0.04 nm标准差）与高分辨率（0.8 nm）。
• 将器件与标准商用相机集成，实现图像与光谱图像模式之间的实时切换。
• 通过光谱重建指标（包括Δλ/λ ~ 0.001）及多样化测试样品验证系统的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单次曝光、芯片级器件能否同时实现高空间分辨率与高光谱分辨率的超光谱成像？
• RQ2 如何利用可重构超表面动态适应空间图像内容，以提升光谱重建质量？
• RQ3 基于超表面快照系统的压缩感知技术可实现何种光谱精度与分辨率？
• RQ4 该系统在多大程度上可与现有商用成像平台集成，以实现实时光谱成像？

主要发现

• 该器件在300 nm可见光谱范围内实现0.8 nm的光谱分辨率，支持高保真度的超光谱成像。
• 系统展现出超高的中心波长精度（0.04 nm标准差），对精确的光谱识别至关重要。
• 在0.5 cm²芯片上集成6,336个光谱像素，支持高空间密度，同时保持优异的光谱重建质量。
• 压缩感知算法实现Δλ/λ ~ 0.001的超光谱数据精确重建，表明具有极高的光谱保真度。
• 可重构超表面支持动态、图像自适应的光谱调谐，显著提升不同空间内容下的重建性能。
• 该系统可直接与商用相机兼容，实现标准成像与光谱成像模式之间的无缝切换。