光的波长探测在科学研究和工业应用中至关重要。传统的光谱探测系统依赖于复杂的分光元件与光机械设备的结合，导致系统成本高、体积庞大。近几年，依赖于人工智能算法的微型化重构光谱仪的兴起，开始逐步打破香农-内斯特采样极限，将其应用范围扩展到机器视觉、环境监测和生物医药等多个领域。
近日，复旦大学材料科学系的梅永丰教授课题组在《美国科学院院刊》上发表了题为《CMOS工艺兼容、集成自参考法布里-佩罗谐振腔的计算重构光谱仪》的研究成果。此项研究由尤淳瑜博士主导，梅永丰教授担任通讯作者，且该研究成果被选为封面文章进行高亮报道。
该研究团队提出了一种新型微型化重构光谱仪设计，巧妙地结合了传统光谱仪与计算重构光谱仪的优势。通过集成自参考窄带滤波通道，该光谱仪可以在更高维度的参数空间中，自主优化光谱及算法参数，从而提升了整体性能。此外，该设备可以利用成熟的集成电路工艺进行晶圆级制造，体积达到毫米级，能够满足大多数微型化光谱测试的需求。
在性能方面，该光谱仪在可见光波段（400-800 nm）中展现出显著的光谱重构能力，分辨率约为2.5 nm，平均波长偏差约为0.27 nm，分辨力高达5806，且分辨率与带宽比达到约0.46%，性能表现接近于商用光纤光谱仪，但在成本和体积上都大幅减少。
为验证其应用潜力，研究团队进一步演示了该自适应微型光谱仪在结合微流控及机械扫描系统后的表现，发现其在透射、吸收和光致发光光谱测量中的结果与商业光纤光谱仪基本一致。此外，该仪器还在高光谱成像方面表现出广阔的应用前景，奠定了其作为高光谱相机单个像素的基础。
传统的重构式微型光谱仪通常需要人工校准算法参数，避免待测光谱的复原结果失真。研究团队的新型自适应光谱仪则通过集成法布里-佩罗窄带滤波通道，引入了一组在固定波长处具有低分辨率但高准确度的自参考光谱信号，不仅实现了对算法重构信号的引导与校正，还可以无需人工干预，稳定地提供高分辨率的光谱探测结果。
该研究为实现通用性与高鲁棒性的微型重构光谱仪提供了新思路，预示着随着CMOS集成电路工艺的成熟，微型光谱探测系统将更广泛地融入到CIS图像模组中。这将推动其在移动便携式测量、车载机器视觉和分布式监测系统等领域的优先应用。未来，微型化光谱仪将不仅改变我们对光谱探测的认知，还将为多个行业带来革命性的变化。
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