Article De Couverture Des Actes De L'académie Nationale Des Sciences ! Une Équipe Chinoise Lance Un Microspectromètre Adaptatif À L'ia Qui Peut Être Produit Au Niveau Des Plaquettes
La détection de la longueur d'onde de la lumière joue un rôle important dans la recherche scientifique et les applications industrielles, et les spectromètres optiques sont des outils d'analyse indispensables. De nos jours, les spectromètres traditionnels encombrants ne peuvent plus répondre à la demande croissante en technologie de détection spectrale.La miniaturisation est devenue la seule voie pour le développement des spectromètres.Il présente un grand potentiel d’application dans divers domaines tels que la vision industrielle, la surveillance environnementale et le diagnostic médical.
Il existe de nombreuses voies techniques différentes pour la miniaturisation des spectromètres. Les spectromètres de reconstruction computationnelle qui s’appuient sur des algorithmes d’intelligence artificielle ont attiré beaucoup d’attention dans l’industrie ces dernières années. Ce spectromètre utilise un calcul à grande vitesse pour remplacer partiellement la charge de travail des composants physiques du spectromètre, ce qui peut réduire davantage la taille et le poids de l'instrument.
Cependant, en raison de la diversité des morphologies spectrales et de l'hypothèse de rareté du signal, les microspectromètres de reconstruction précédemment rapportés nécessitent généralement un étalonnage manuel des paramètres de l'algorithme, sinon les résultats de restauration du spectre mesuré peuvent être déformés. Dans le même temps, la capacité de ce type de spectromètre à être directement produit en masse par traitement de circuit intégré n’a pas encore été vérifiée.
Dans ce contexte, le groupe de recherche du professeur Mei Yongfeng du département des sciences des matériaux et de l'Institut international des nanorobots et nanosystèmes intelligents de l'université de Fudan a publié un résultat de recherche intitulé « Spectromètres reconstructifs compatibles CMOS avec résonateurs Fabry-Perot intégrés auto-référencés » dans les actes de l'Académie nationale des sciences des États-Unis d'Amérique.Cette réalisation a également été sélectionnée comme article de couverture de ce numéro.
L'équipe a proposé une nouvelle conception de spectromètre de reconstruction miniaturisé qui combine les avantages des spectromètres traditionnels et des spectromètres de reconstruction informatique grâce à un canal de filtre à bande étroite à auto-référence intégré.Cela permet aux algorithmes d’intelligence artificielle de rechercher simultanément des paramètres spectraux et algorithmiques dans un espace de paramètres de dimension supérieure.De plus, le spectromètre peut être fabriqué au niveau de la plaquette grâce à des processus de circuits intégrés matures et a une taille de l'ordre du millimètre, ce qui est suffisant pour répondre à la plupart des besoins de tests spectraux miniaturisés.
Points saillants de la recherche :
* Cette étude propose une nouvelle conception de spectromètre de reconstruction miniaturisé, qui présente une capacité de reconstruction spectrale précise dans toute la bande de lumière visible (400-800 nm), avec une résolution d'environ 2,5 nm, un écart de longueur d'onde moyen d'environ 0,27 nm et une résolution allant jusqu'à 5 806. * Cette étude fournit une nouvelle idée pour réaliser un spectromètre de reconstruction miniature universel et très robuste, et devrait favoriser l'intégration de systèmes de détection spectrale miniatures dans les modules d'image CIS à l'aide d'une technologie de circuit intégré CMOS mature.
* Les performances de ce spectromètre sont proches de celles des spectromètres à fibre optique commerciaux, mais le coût et la taille sont considérablement réduits
Adresse du document :
https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2403950121
Le projet open source « awesome-ai4s » rassemble plus de 100 interprétations d'articles AI4S et fournit des ensembles de données et des outils massifs :
https://github.com/hyperai/awesome-ai4s
Ensembles de données : appliquer différentes méthodes de dérivation spectrale à différents ensembles de données
Les chercheurs ont divisé les données actuelles obtenues à partir du microspectromètre en deux ensembles de données : les courants de canal à bande étroite et les courants de canal totaux, puis ont appliqué différentes méthodes de dérivation spectrale à chaque ensemble de données.
* Ensemble de données à bande étroite
Cela inclut le courant mesuré dans un canal de filtrage à bande étroite dans la cavité Fabry-Perot (FP) conçue. Pour cet ensemble de données, les chercheurs ont dérivé une courbe spectrale point par point directement en divisant le courant de réponse de chaque canal par sa réactivité, ce qu'ils appellent un spectre auto-référencé.
* Tous les ensembles de données de canal
Contient le courant de tous les canaux, y compris les canaux à bande étroite. Pour cet ensemble de données, les chercheurs ont optimisé de manière itérative les paramètres de l'algorithme en comparant les résultats spectraux reconstruits par l'algorithme avec le spectre d'auto-référence (dérivé du canal à bande étroite) pour obtenir la reconstruction et la restauration optimales de la courbe spectrale.
Principe de fonctionnement : Reconstruire un spectre précis et stable en introduisant un spectre d'auto-référence
La figure A ci-dessous montre le principe de fonctionnement d’un spectromètre conventionnel.Il utilise des filtres passe-bande étroits pour distinguer les différentes longueurs d'onde, et l'intensité de chaque longueur d'onde est directement mesurée en fonction de la quantité de lumière traversant le filtre correspondant. Ce processus peut être décrit comme un mappage « point à point ». Bien que le spectre résultant soit approximatif, la position de longueur d'onde correspondant à chaque filtre est relativement précise.
La figure B ci-dessus décrit le principe de fonctionnement d’un spectromètre reconstructif typique.Le spectromètre encode le spectre inconnu (Encoder) dans les données collectées, puis reconstruit ces données en un spectre via un algorithme supervisé avec le paramètre Φ. L'algorithme recherche la fonction de coût minimum dans l'espace des paramètres spectraux S, généralement par le biais de méthodes de régularisation telles que Tikhonov ou la variation totale. Bien que cette reconstruction puisse produire des spectres à haute résolution, les résultats peuvent être instables car différents choix du paramètre Φ peuvent conduire à différentes fonctions de perte minimale.
La figure C ci-dessous montre le principe de fonctionnement du spectromètre auto-adaptatif proposé dans cette étude.En plus d'encoder le spectre en tant que données pour l'algorithme, le spectromètre fournit également un spectre d'auto-référence approximatif de manière traditionnelle. Grâce à cette auto-référence, une optimisation à deux niveaux peut être mise en œuvre dans l'espace des paramètres spectraux S et l'espace des paramètres de l'algorithme Φ, de sorte que la recherche de la fonction de perte minimale couvre des dimensions supérieures. Cela permet l’identification d’une fonction de coût minimum globale en sélectionnant automatiquement les paramètres optimaux, ce qui permet de reconstruire des spectres précis et stables.
La figure ci-dessous illustre plus en détail le processus de reconstruction du spectre adaptatif, c'est-à-dire l'algorithme adaptatif.
Plus précisément, le spectromètre miniaturisé dispose d'un ensemble de canaux à bande étroite pour les mesures spectrales conventionnelles, il fournit donc deux ensembles de données actuelles pour la détection spectrale.Le premier groupe est le courant du canal de réponse à spectre étroit.Il peut être considéré comme le produit scalaire de l'intensité spectrale d'une bande particulière et de la réponse du canal responsable de cette bande, à partir duquel un spectre explicite mais approximatif peut être facilement obtenu.Le deuxième groupe est le courant de tous les canaux (y compris les canaux à bande étroite),Il s'agit du résultat intégré de la multiplication du spectre de chaque longueur d'onde par la réponse du canal (réponse du produit scalaire).
Les chercheurs ont introduit les résultats spectraux obtenus à partir du premier ensemble de données comme auto-référence pour la solution calculée à partir du deuxième ensemble de courants.L'algorithme peut ajuster lui-même divers paramètres et obtenir des résultats stables proches du spectre réel grâce à une itération inhérente.
Résultats de la recherche : Capacité de reconstruction spectrale précise sur toute la bande de lumière visible
La résolution en longueur d'onde est un paramètre important pour les spectromètres, en particulier dans les applications telles que les mesureurs de longueur d'onde ou l'identification de matériaux de haute précision. Lors de tests de performance, le spectromètre a démontré des capacités de reconstruction spectrale précises sur toute la bande de lumière visible (400-800 nm). La figure suivante montre la comparaison entre la longueur d’onde de crête d’entrée et la longueur d’onde de crête de sortie reconstruite.Montre une bonne cohérence.
Les chercheurs ont ensuite analysé les écarts du spectromètre miniaturisé, comme indiqué ci-dessous, et ont calculé la résolution à une longueur d'onde de crête d'entrée donnée : Rλ = λ/Δλ,Une déviation moyenne de longueur d'onde d'environ 0,27 nm et une résolution allant jusqu'à 5 806 ont été obtenues.
Les chercheurs ont également appliqué le test de résolution des spectromètres traditionnels à leur spectromètre miniature : deux pics lumineux monochromatiques ont été projetés simultanément sur le spectromètre et l'espacement entre eux a été progressivement réduit pour étudier l'espacement minimum auquel le spectromètre miniaturisé pouvait encore résoudre les deux lignes spectrales. Comme le montre la figure ci-dessous,Deux pics séparés de 2,5 nm et situés autour de 518 nm peuvent être résolus.
Ces résultats indiquent queLes performances du spectromètre miniaturisé conçu dans l’étude sont comparables à celles des spectromètres à fibre optique commerciaux et d’autres petits spectromètres, mais à un coût et une taille considérablement réduits.
Sur cette base, l'équipe de recherche a démontré plus en détail les performances du microspectromètre adaptatif dans des applications de laboratoire courantes telles que les mesures de spectroscopie de transmission, d'absorption et de photoluminescence après avoir combiné la microfluidique et les systèmes de balayage mécanique. Les résultats étaient fondamentalement cohérents avec ceux des spectromètres à fibre optique commerciaux, comme le montrent les figures AF ci-dessous.
(A) Schéma de principe d’un test de spectroscopie de microtransmission-absorption ;
(BC) Résultats de la reconstruction du spectre de transmission (B) et du spectre d'absorption (C) de la vitamine B ;
(D) Schéma du test du spectre de microphotoluminescence ;
(E) Résultats de reconstruction du spectre de photoluminescence de la Rhodamine B ;
(F) Résultats de la reconstruction du spectre de photoluminescence des points quantiques de graphène
En plus d'excellentes performances, plus important encore,Le spectromètre peut être fabriqué au niveau de la plaquette à l'aide de processus de circuits intégrés matures et a une taille à l'échelle millimétrique.Il est suffisant pour répondre à la plupart des besoins de tests spectraux miniaturisés.
En résumé, cette recherche fournit une nouvelle idée pour réaliser un spectromètre de reconstruction miniature avec universalité et grande robustesse. Il est prévu de promouvoir l'intégration de systèmes de détection spectrale miniatures dans les modules d'image CIS à l'aide d'une technologie de circuit intégré CMOS mature, afin de donner la priorité aux applications dans la mesure portable mobile, la vision industrielle embarquée et les systèmes de surveillance distribués.
Continuer à approfondir les domaines scientifiques fondamentaux tels que les matériaux
La recherche mentionnée ci-dessus a été financée et soutenue par le Programme national de recherche et développement clé, la Fondation nationale des sciences naturelles, la Commission des sciences et technologies de Shanghai et d'autres projets. Certaines expériences ont été réalisées dans le laboratoire public de traitement et de dispositifs micro-nano de l'université Fudan. Le professeur Mei Yongfeng est l’auteur correspondant de l’article.
En tant que professeur de science des matériaux à l'Université Fudan, Mei Yongfeng a toujours été un praticien et un défenseur de la recherche fondamentale. Il a dit un jour : « La recherche fondamentale vise à comprendre les phénomènes, à découvrir et à ouvrir de nouveaux domaines de connaissances. Elle semble être très éloignée de la vie et semble n'avoir aucune utilité pratique, mais en fait,La recherche fondamentale est le moteur le plus fondamental du développement social.Tout comme les briques nécessaires à la construction d’une maison, même si vous ne savez pas à quoi sert une certaine brique, si vous retirez cette brique, la maison s’effondrera. "
Avec ce concept, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Mei Yongfeng a apporté de nombreuses contributions exceptionnelles à la recherche fondamentale et à la science des matériaux, publié plus de 300 articles universitaires dans Science Robotics, Science Advances, Nature Communications, Advanced Materials, etc., cités plus de 10 000 fois et autorisé plus de 20 brevets d'invention.
Parmi les réalisations typiques, en janvier 2023, le groupe de recherche de Mei Yongfeng a publié un article intitulé « Auto-enroulement de nanomembranes de dioxyde de vanadium pour une modulation solaire multi-niveaux améliorée » dans « Nature Communications ».
L’équipe de recherche s’est inspirée des stores vénitiens.Le film de dioxyde de vanadium contraint sur le verre est désorbé et enroulé dans une fenêtre intelligente à réseau de « feuilles » à l'aide d'une technologie d'auto-enroulement.La fenêtre intelligente peut être modulée dans des états entièrement enroulés (ouverts), à moitié enroulés (à moitié ouverts) et plats (fermés) par des changements de température ambiante, et une commutation intelligente auto-réactive peut être obtenue, améliorant ainsi considérablement la transmittance dans l'état complètement ouvert tout en réalisant une modulation de transmittance lumineuse à plusieurs niveaux avec différents degrés d'ouverture.
Ce travail combine de manière créative la capacité de déformation thermo-induite et la capacité thermochromique des matériaux intelligents en couches minces de dioxyde de vanadium.Il résout la difficulté des films plats traditionnels en prenant en compte la transmission de la lumière, l'efficacité énergétique et l'adaptabilité multi-environnement.Il fournit une nouvelle idée réalisable pour la nouvelle génération de fenêtres intelligentes efficaces.
« L'auto-assemblage de nanomembranes bidimensionnelles en microstructures tridimensionnelles » est considéré comme un moyen important de fabriquer des dispositifs microélectroniques de nouvelle génération, ce qui est crucial pour les futures applications électroniques et optoélectroniques avancées. Cependant, la formation de la forme géométrique finale du nanofilm bidimensionnel est affectée par la trajectoire de gravure, la réaction chimique, le rapport hauteur/largeur et d'autres facteurs complexes, ce qui rend difficile l'amélioration du rendement du produit et du taux de produit fini des dispositifs auto-assemblés pendant le processus de fabrication, entravant sérieusement sa véritable transition du laboratoire à l'application industrielle.
En réponse à cela, en juin de cette année, le groupe de recherche du professeur Mei Yongfeng a publié un résultat de recherche intitulé « Conception et construction à plusieurs niveaux dans le laminage de nanomembranes pour la photodétection tridimensionnelle sensible à l'angle » dans « Nature Communications ».
Cette étude a proposé une méthode d'analyse par éléments finis quasi-statique à plusieurs niveaux et, sur la base de cette conception, a construit six types de microstructures tridimensionnelles assemblées de nanofilms de silicium (Si)/chrome (Cr) et des détecteurs optiques tridimensionnels correspondants, vérifiant pleinement la bonne polyvalence et la praticabilité industrielle de cette technologie.
À l'avenir, le groupe de recherche du professeur Mei Yongfeng approfondira également la micro-nano mécanique, la nano-optique, la nano-électronique, la micro-nano robotique, la micro-nano fluidique, le stockage de micro-énergie, les plasmons de surface et les métamatériaux, et continuera à promouvoir les progrès de la science fondamentale.
Références :
1.https://news.fudan.edu.cn/2024/0820/c5a141853/page.htm
2.https://www.memstraining.com/news-41.html
3.https://www.sohu.com/a/634625615_12