光谱成像能够获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，已在天文探测[[1], [2], [3], [4]]和环境监测[[5], [6], [7]]中得到广泛应用。传统的光谱成像设备通常需要精确的色散元件和机械扫描装置来获取完整的光谱数据立方体[[8], [9], [10], [11]]，这导致光学路径复杂且系统笨重，限制了其在动态场景或野外检测中的应用。近年来，结合硬件编码和软件解码的计算光谱成像技术为解决这些问题提供了有前景的途径[[12], [13], [14], [15], [16], [17]]。这种方法可以通过在探测器前放置宽带光谱编码装置来实现，从而形成更加紧凑且易于集成的系统架构。当前的计算光谱成像仪器通常基于宏观像素架构设计，每个宏观像素由一组以N×N阵列排列的滤波单元组成，传感器像素被这些滤波单元覆盖。这种架构依赖于一个关键假设：同一宏观像素内的所有像素接收到的光信息相同，这不可避免地会导致空间分辨率的下降。通常存在一种权衡：高光谱分辨率需要在单个宏观像素内使用更多滤波器，但滤波器数量的增加会导致宏观像素尺寸变大，从而降低空间分辨率。
量子点材料是一种常用的光谱编码装置[[18], [19], [20]]，其制造过程相对简单且易于集成。然而，量子点设备的光谱响应曲线往往高度相似，这使得在采样过程中难以有效捕捉目标光谱的特征。因此，目前的基于量子点的计算光谱仪通常需要集成数百个量子点滤波器，这限制了提高空间分辨率的潜力。鲍等人[18]首次通过将14×14的胶体量子点阵列集成到图像传感器上，实现了3.2纳米的光谱分辨率。然而，滤波阵列中每个量子点滤波单元的尺寸（约0.5毫米）远大于传感器像素尺寸（4.4微米），这意味着每个滤波器大约覆盖100个像素，从而导致空间分辨率能力的损失，并在复杂空间场景中捕捉光谱细节时面临挑战。边等人[19]采用361种钙钛矿量子点材料制造了19×19的滤波阵列，将光谱分辨率提高到1.6纳米，但仍缺乏空间分辨率能力。
基于微纳结构的光谱编码装置（例如光子晶体[[21], [22], [23]]、超表面[[24], [25], [26]]和光学薄膜[27,28]）在减少采样需求和提高编码效率方面具有明显优势。郭等人[29]提出了一种基于超表面和多层薄膜的微光谱仪，构建了一个由36个基本超表面单元和4层薄膜组成的随机滤波阵列，实现了2纳米的光谱分辨率和91.42%的图像重建保真度。尽管这种方法结合了超表面和多层薄膜，使宽带滤波单元的光谱响应多样化并提高了编码效率，但它引入了更多的设计维度（例如薄膜厚度、超表面图案和周期、材料组合）和更复杂的制造过程（例如多层涂层、光刻处理和界面控制），对大规模生产提出了挑战。陈等人[26]提出了一种基于49个准随机超表面超胞的7×7编码滤波阵列，每个超胞被等分为边长为0.1微米的亚波长正方形。通过对正方形单元进行准随机蚀刻，获得了具有丰富图案的超胞滤波器，其低相关传输光谱更能满足压缩感知的要求。然而，0.1微米的正方形单元尺寸不可避免地增加了工艺复杂性和制造成本，同时也对产量保证带来了压力。
为了平衡高性能光谱编码和低成本制造之间的权衡，本文提出了一种基于简单标准几何微纳结构阵列的计算光谱成像仪。首先，我们使用标准几何形状（例如圆形、矩形、正方形）作为基本结构单元，设计了5×5的宽带光谱编码阵列。我们将基本几何单元的边长限制在0.4微米以上，从而在保持丰富透射光谱响应的同时降低了制造要求。其次，通过数值模拟全面评估了所提出编码方案下的光谱曲线准确性和空间图像重建精度。然后，我们通过微纳加工制造了光谱编码阵列，并将其与CMOS探测器集成以组装出功能原型。最后，我们测试了原型的关键性能指标，包括光谱分辨率和重建精度，并进行了现场实验以验证其在目标识别和分类方面的出色性能。
本文的结构如下：第2节介绍了本文设计的计算光谱仪的基本组件及其实现高光谱测量的方法。第3节展示了仿真结果和实验结果。第4节是本文的结论。
