中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團隊崔開(kāi)宇副教授帶領(lǐng)學(xué)生在超表面超光譜成像芯片方面取得重要進(jìn)展，研制出國際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片，相比已有光譜檢測技術(shù)實(shí)現了從單點(diǎn)光譜儀到超光譜成像芯片的跨越，相關(guān)研究成果連續在光子領(lǐng)域旗艦期刊Optica和Laser & Photonics Reviews發(fā)文。發(fā)表于Science的綜述論文“Miniaturizationof optical spectrometers”將這一超光譜成像芯片技術(shù)列為該領(lǐng)域最新的研究成果。
光譜作為物質(zhì)的指紋，光譜成像可以獲取成像視場(chǎng)內各像素點(diǎn)物質(zhì)的組分和含量，為智能感知技術(shù)開(kāi)拓了一個(gè)新的信息維度，在工業(yè)自動(dòng)化、智慧醫療、機器視覺(jué)、消費電子等諸多領(lǐng)域有著(zhù)巨大的應用需求。然而，傳統基于分光原理的單點(diǎn)光譜儀體積龐大，已有的光譜成像技術(shù)一般只能采用逐點(diǎn)逐行掃描或波長(cháng)掃描的模式，無(wú)法獲取視野場(chǎng)景中各像素點(diǎn)高精度的實(shí)時(shí)光譜信息。
該成果研制的國際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片如圖1所示。通過(guò)硅基超表面實(shí)現對入射光的頻譜域調制，利用CMOS圖像傳感器實(shí)現頻譜域到電域的投影測量，再通過(guò)壓縮感知算法進(jìn)行光譜重建，并進(jìn)一步通過(guò)超表面的大規模陣列集成實(shí)現實(shí)時(shí)光譜成像。該款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片將單點(diǎn)光譜儀的尺寸縮小到百微米以下，空間分辨率超過(guò)15萬(wàn)光譜像素，即在0.5平方厘米的芯片上集成了15萬(wàn)個(gè)微型光譜儀，可快速獲得每個(gè)像素點(diǎn)的光譜，工作譜寬450~750 nm，光譜分辨率高達0.8 nm。
與清華大學(xué)生物醫學(xué)工程系洪波教授團隊合作，基于該實(shí)時(shí)超光譜成像芯片首次測量了活體大鼠腦部血紅蛋白及其衍生物的特征光譜的動(dòng)態(tài)變化，時(shí)間分辨率高達30 Hz。通過(guò)實(shí)時(shí)光譜成像，可獲取大鼠腦部不同位置的動(dòng)態(tài)光譜變化情況，結合血紅蛋白的特征吸收峰，分析獲取對應血管區和非血管區血紅蛋白含量的變化情況，并可進(jìn)一步利用神經(jīng)血氧耦合的機制得出腦部神經(jīng)元的活躍狀態(tài)。
該團隊進(jìn)一步提出了一種自由形狀超原子（Freeform shaped meta-atoms）的超表面設計方法，突破了基于規則形狀的超表面設計限制，研制出的基于自由形狀超原子的超表面光譜成像芯片，取得了更優(yōu)異的光譜成像性能（圖2）。對寬譜光和窄譜光進(jìn)行測量重建的結果表明，對于窄譜光重建的中心波長(cháng)偏差標準差僅為0.024 nm。對24色標準色卡的平均光譜重建保真度達到了98.78%。該研究工作進(jìn)一步提升了超表面光譜成像芯片的性能，推動(dòng)了未來(lái)光譜成像芯片的發(fā)展及其在實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域的應用。
該項成果的動(dòng)態(tài)超光譜成像芯片是微納光電子與光譜技術(shù)的深度交叉融合，作為光譜技術(shù)的顛覆性進(jìn)展，展示出在實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域的巨大應用潛力。
