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清華大學(xué)研制出國際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片 光譜作為物質(zhì)的指紋，光譜成像可以獲取成像視場內(nèi)各像素點(diǎn)物質(zhì)的組分和含量，為智能感知技術(shù)開拓了一個新的信息維度，在工業(yè)自動化、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)逐行掃描或波長掃描的模式，無法獲取視野場景中各像素點(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。通過硅基超表面實(shí)現(xiàn)對入射光的頻譜域調(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15萬個微型光譜儀，可快速獲得每個像素點(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量了活體大鼠腦部血紅蛋白及其衍生物的特征光譜的動態(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）。對寬譜光和窄譜光進(jìn)行測量重建的結(jié)果表明，窄譜光重建的中心波長偏差標(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。 |
