复合微纳结构分光方法研究

Aiming at the demand of miniaturization and portable of spectrometers, combined with the recent spectral separation method based on transmission regulation, this project proposes a new spectral separation approach by using composite nano-photonic structures as the transmission regulation units, and then uses the post-processing method to reconstruct the spectrum of the light source. Firstly, based on the transmission properties of typical materials, a series of transmission curves are generated by combining the Markov process. On this basis, the layered structure satisfying the transmission curve is designed by using the needle optimization method. Secondly, the transmission curve of the layered structure is fine-tuned by placing nano-pore, and the nano-photonic structures are optimized by the finite-difference time-domain method. Thirdly, the spectral transmittance of the nano-photonic structures is obtained by a testing and calibration method for the deviation of actual manufacturing and theoretical simulation. Fourthly, the reconstruction of spectral information is realized by the method of multiple linear regression combined base projection. Finally, nano-photonic structures are verified experimentally. Because the spectral reconstruction method based on the transmission modulation does not need additional optical interference path and scanning device, the proposed approach can be realized only by simple post-processing, which is of great significance in the acquisition of small and inexpensive spectral information.

针对光谱分光小型化便携式的需求，结合最新的基于透过率调控的光谱分光方法，本项目提出采用复合微纳结构作为透过率调控单元，进而利用后处理重建光源光谱的分光方法。首先，依据典型材料的光谱透过率特性，结合马尔科夫过程生成一系列透过率曲线，在此基础上，借助针式优化方法，设计满足透过率曲线约束的层状结构。其次，采用纳米孔对层状结构的透过率曲线进行微调，利用时域有限差分对复合微纳结构进行优化。第三，针对实际制造和理论仿真的偏差，采用测试和标定的方法，得到复合微纳结构的光谱透过率。第四，利用多元线性回归结合基投影的方法实现光谱信息的重建。最后，对复合微纳结构进行实验验证。由于基于透过率调制的光谱重建方法，不需要额外的干涉光路和扫描装置，仅通过简单的后处理即可实现光谱分光，因此，本项目的研究对于光谱信息获取的小型化，廉价化具有重要意义。

物质的光谱反映了物质本身的元素构成，在遥感、生物和化学等领域都有广泛的应用。本项目针对光谱分光小型化便携式的需求，对基于透过率调制的分光方法进行了研究，取得了预期的研究成果，具体工作如下：（1）围绕基于透过率调制的分光方法进行研究，针对基于透过率调制方法中透过率矩阵难以精确测量的难点，提出了一种基于深度神经网络的光谱分光方法，避免了透过率测量；针对透过率矩阵调制能力的不足，提出了一种基于离散余弦变换的光谱分光方法，增强了透过率矩阵的调制能力。（2）依据光谱分光对复合微纳结构滤镜光谱调制能力的要求，在满足光学稳定性和环境稳定性的条件下，对复合微纳结构滤镜的设计开展研究，提出一种基于金纳米颗粒的复合微纳结构滤镜设计方法和基于纳米孔阵列的复合微纳结构滤镜设计方法。（3）针对本项目对单个复合微纳结构之间光谱调制能力具有较大的不相关性，对加工的精度要求并不苛刻的要求，研究了基于金纳米柱的复合微纳结构加工方法。（4）针对复合微纳结构的设计、加工和测量等环节，不可避免的要引入噪声的问题，研究了噪声对光谱重建性能的影响，为了提高重建效果，提出将稀疏重构梯度投影（GPSR）算法应用于光谱信号重建，该算法显示出良好的重建准确性。（5）此外，本项目也光谱图像数据的处理也进行了研究，针对高光谱图像中的异常检测的不足，提出了基于背景字典构建低秩表示与自适应加权的高光谱异常检测算法和基于背景抑制的低秩与稀疏矩阵分解高光谱异常检测算法方法。本项目的研究成果为有望为光谱信息获取的小型化提供解决方案。