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顛覆性發(fā)展的光譜技術(shù) 國(guó)際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片成功研制

2022-06-02 13:43:17來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：131 評(píng)論

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導(dǎo)讀：光譜成像在工業(yè)自動(dòng)化、智慧醫(yī)療、機(jī)器視覺(jué)、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域有著眾多應(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(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。

　　光譜是物質(zhì)的指紋，由于各種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運(yùn)動(dòng)情況不同，所以它們發(fā)射的光波也不同。研究不同物質(zhì)的發(fā)光和吸收光的情況，有重要的理論和實(shí)際意義。國(guó)際上正在迅速發(fā)展的一種新型傳感器稱為成像光譜儀，它是以多路、連續(xù)并具有高光譜分辨率方式獲取圖像信息的儀器。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(kāi)拓一個(gè)新的信息維度。
 
　　光譜成像在工業(yè)自動(dòng)化、智慧醫(yī)療、機(jī)器視覺(jué)、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域有著眾多應(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(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。不僅如此，傳統(tǒng)的超表面設(shè)計(jì)主要基于規(guī)則形狀的超原子，還限制了其性能進(jìn)一步提升。
 
　　CMOS圖像傳感器是一種使用CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)的固態(tài)圖像傳感器。近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)崔開(kāi)宇副教授等，通過(guò)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(guò)超表面的大規(guī)模陣列集成實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)光譜成像。
 
　　而目前，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)基于超表面實(shí)現(xiàn)了國(guó)際首款實(shí)時(shí)超光譜成像芯片。該款芯片將單點(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450~750nm，分辨率高達(dá)0.8nm。
 
　　不僅如此，研究團(tuán)隊(duì)還與清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系洪波教授團(tuán)隊(duì)合作，他們基于該實(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。并通過(guò)實(shí)時(shí)光譜成像，獲得了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)。
 
　　研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步提出了基于自由形狀超原子超表面的超光譜成像芯片，可突破規(guī)則形狀的超表面設(shè)計(jì)，擴(kuò)大超表面的參數(shù)設(shè)計(jì)空間，進(jìn)一步提升光譜成像性能。自由形狀超原子的超表面調(diào)制單元具有更加豐富的布洛赫(Bloch)模式，增加了透射譜的豐富性，從而提升了光譜重建精度和光譜分辨率。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0.024nm，24色標(biāo)準(zhǔn)色卡的平均光譜重建保真度達(dá)到了98.78%。
 
　　清華團(tuán)隊(duì)研發(fā)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)域的重要應(yīng)用潛力，相關(guān)成果已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。該項(xiàng)研究工業(yè)自動(dòng)化、智慧醫(yī)療、機(jī)器視覺(jué)、消費(fèi)電子等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用需求。并且進(jìn)一步提升了超表面光譜成像芯片的性能，推動(dòng)未來(lái)光譜成像芯片發(fā)展及其在實(shí)時(shí)傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
　　(資料來(lái)源：澎湃新聞)
 
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