杭高院激光感知技术团队陶陈凝副教授在PhotoniX发表最新研究成果

近日，杭高院激光感知技术团队校聘副教授陶陈凝与浙江大学极端光学技术与仪器全国重点实验室李强-朱桓正团队合作，在国际光学期刊PhotoniX 上发表题为“Geometry-driven spectral encoding by maximizing distinguishability in encoding space”的研究论文。PhotoniX 为光学类顶级期刊，中科院一区TOP期刊，最新影响因子为18.0。陶陈凝副教授为论文第一作者，浙江师范大学为第一通讯单位。计算光谱成像模型及编码空间的几何解释计算光谱成像通过光谱编码器将高维光谱信息映射为低维探测信号，并结合计算算法恢复目标光谱，是实现光谱成像系统小型化和智能化的重要技术路径。然而，传统光谱编码器设计通常以降低编码矩阵相关性或互相干性为目标，主要关注编码矩阵自身的统计特性，难以直接保证不同光谱经过编码后仍具有足够的物理可区分性，在噪声和系统误差影响下可能造成光谱信息混淆。针对这一问题，研究团队提出了编码空间欧氏距离（Euclidean Distance in Encoding Space，EDE）这一新的光谱编码设计指标，从实际探测信号出发，通过最大化不同光谱编码响应之间的最小欧氏距离，使不同光谱在探测空间中尽可能彼此分离，从而增强系统对噪声和扰动的抵抗能力。研究结果表明，相比传统相关性和互相干性指标，EDE与实际光谱重构性能具有更直接的对应关系，为高性能计算光谱成像中的编码器设计提供了新的物理判据。随机-确定性联合光谱编码器逆向设计框架为将这一理论准则转化为实际光学器件，研究团队进一步构建了融合遗传算法全局搜索与自动微分驱动L-BFGS局部优化的随机-确定性联合逆向设计框架，实现了多层薄膜光谱编码器的高效优化，加工制备了由TiO₂/SiO₂多层膜构成的16通道光谱编码器，并搭建了覆盖400-1700 nm可见-短波红外波段的计算光谱成像实验系统。实验结果表明，该系统能够准确重构窄带、双峰及复杂目标光谱，实验样品的光谱重构保真度超过98.63%。此外，对于可见光下外观高度相似的多种聚合物材料，系统能够利用其短波红外“光谱指纹”实现有效区分，展现了在材料识别、遥感探测和智能光谱感知等领域的应用潜力。基于计算光谱成像的可见光外观相似聚合物材料光谱识别该研究将光谱编码器设计从传统的“优化编码矩阵统计特性”进一步转向“优化实际编码信号的可区分性”，为计算成像系统中的光学编码设计提供了新的几何视角。所提出的EDE准则和随机-确定性联合优化方法还可进一步拓展至超构表面、光栅等光子器件，为微型化、高精度和智能化计算光学系统的发展提供新的技术思路。该研究工作得到国家自然科学基金（项目编号：62205296、62505280、U2341225）和国家重点研发计划（项目编号：2024YFA1210500）等项目的资助。编辑：武艳