近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)崔開宇副教授帶領(lǐng)學(xué)生在超光譜成像芯片的研究中取得重要進(jìn)展，研制出國(guó)際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片，相比已有光譜檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了從單點(diǎn)光譜儀到超光譜成像芯片的跨越，期刊《科學(xué)》（Science）綜述論文“光譜儀的小型化”（“Miniaturization of 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(nèi)各像素點(diǎn)物質(zhì)的組分和含量，為智能感知技術(shù)開拓了一個(gè)新的信息維度，在工業(yè)自動(dòng)化、智慧醫(yī)療、機(jī)器視覺、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用需求。然而傳統(tǒng)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(zhǎng)掃描的模式，無法獲取視野場(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(guó)際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片如圖1所示。通過硅基超表面實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的頻譜域調(diào)制，利用CMOS圖像傳感器完成頻譜域到電域的投影測(cè)量，再采用壓縮感知算法進(jìn)行光譜重建，并進(jìn)一步通過超表面的大規(guī)模陣列集成實(shí)現(xiàn)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15萬光譜像素，即在0.5 cm2芯片上集成了15萬個(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，分辨率高達(dá)0.8nm。

研究團(tuán)隊(duì)與清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系洪波教授團(tuán)隊(duì)合作，基于該實(shí)時(shí)超光譜成像芯片首次測(cè)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(dá)30Hz。通過實(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(jié)合血紅蛋白的特征吸收峰，分析獲取對(duì)應(yīng)血管區(qū)和非血管區(qū)血紅蛋白含量的變化情況，并可利用神經(jīng)血氧耦合的機(jī)制得出腦部神經(jīng)元的活躍狀態(tài)。

圖1. 國(guó)際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片及其性能指標(biāo)

團(tuán)隊(duì)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(shè)計(jì)方法，突破了規(guī)則形狀的超表面設(shè)計(jì)限制，研制出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(duì)寬譜光和窄譜光進(jìn)行測(cè)量重建的結(jié)果表明，窄譜光重建的中心波長(zhǎng)偏差標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.024 nm。24色標(biāo)準(zhǔn)色卡的平均光譜重建保真度達(dá)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)了未來光譜成像芯片的發(fā)展及其在實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

圖2. 基于自由形狀超原子的超表面光譜成像芯片及其性能指標(biāo)

該項(xiàng)成果的實(shí)時(shí)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(yīng)用潛力，相關(guān)成果已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。

上述研究成果以“基于可重構(gòu)超表面的實(shí)時(shí)超光譜成像芯片及動(dòng)態(tài)腦光譜獲取”（Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces）為題在《光學(xué)》（Optica）發(fā)表。電子系2017級(jí)博士生熊健、博士后蔡旭升、副教授崔開宇為該論文的共同第一作者。崔開宇為論文的通訊作者。該工作得到了包括科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、北京量子信息前沿科學(xué)中心、北京量子信息科學(xué)研究院的支持。

同時(shí)，研究成果還以“基于自由形狀超原子超表面的超光譜成像”（Ultraspectral Imaging Based on Metasurfaces with Freeform Shaped Meta-Atoms）為題于期刊《激光與光子學(xué)評(píng)論》（Laser & Photonics Reviews）發(fā)文。電子系2018級(jí)博士生楊家偉為該工作的第一作者。崔開宇副教授、黃翊東教授為論文的通訊作者。該工作得到了包括科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市科技計(jì)劃、北京市自然科學(xué)基金、北京量子信息前沿科學(xué)中心、北京量子信息科學(xué)研究院的支持。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.440013
https://doi.org/10.1002/lpor.202100663

封面圖片來源：拍信網(wǎng)