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顛覆性發(fā)展的光譜技術(shù) 國際首款實時超光譜成像芯片成功研制

2022-06-02 13:43:17來源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：113 評論

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導(dǎo)讀：光譜成像在工業(yè)自動化、智慧醫(yī)療、機器視覺、消費電子等諸多領(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高精度的實時光譜信息。

　　光譜是物質(zhì)的指紋，由于各種物質(zhì)的原子內(nèi)部電子的運動情況不同，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，有重要的理論和實際意義。國際上正在迅速發(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內(nèi)各像素點物質(zhì)的組分和含量，為智能感知技術(shù)開拓一個新的信息維度。
 
　　光譜成像在工業(yè)自動化、智慧醫(yī)療、機器視覺、消費電子等諸多領(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高精度的實時光譜信息。不僅如此，傳統(tǒng)的超表面設(shè)計主要基于規(guī)則形狀的超原子，還限制了其性能進一步提升。
 
　　CMOS圖像傳感器是一種使用CMOS(互補金屬氧化物半導(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隊崔開宇副教授等，通過硅基超表面實現(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行光譜重建，并進一步通過超表面的大規(guī)模陣列集成實現(xiàn)實時光譜成像。
 
　　而目前，團隊已經(jīng)基于超表面實現(xiàn)了國際首款實時超光譜成像芯片。該款芯片將單點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平方厘米的芯片上集成了15萬個微型光譜儀，可快速獲得每個像素點的光譜，工作譜寬450~750nm，分辨率高達0.8nm。
 
　　不僅如此，研究團隊還與清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系洪波教授團隊合作，他們基于該實時超光譜成像芯片，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，時間分辨率高達30Hz。并通過實時光譜成像，獲得了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)血氧耦合的機制，得出腦部神經(jīng)元的活躍狀態(tài)。
 
　　研究團隊還進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，擴大超表面的參數(shù)設(shè)計空間，進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。對寬譜光和窄譜光進行測量重建的結(jié)果表明，窄譜光重建的中心波長偏差標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.024nm，24色標(biāo)準(zhǔn)色卡的平均光譜重建保真度達到了98.78%。
 
　　清華團隊研發(fā)的實時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)的顛覆性進展，展示出在實時傳感領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛力，相關(guān)成果已進行產(chǎn)業(yè)化。該項研究工業(yè)自動化、智慧醫(yī)療、機器視覺、消費電子等諸多領(lǐng)域具有應(yīng)用需求。并且進一步提升了超表面光譜成像芯片的性能，推動未來光譜成像芯片發(fā)展及其在實時傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。
 
　　(資料來源：澎湃新聞)
 
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