“光谱”颠覆性发展的光谱技术 国际首款实时超光谱成像芯片成功研制

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光谱是物质的指纹，由于各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所以它们发射的光波也不同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义。国际上正在迅速发展的一种新型传感器称为成像光谱仪，它是以多路、连续并具有高光谱分辨率方式获取图像信息的仪器。光谱成像可以获取成像视场内各像素点物质的组分和含量，为智能感知技术开拓一个新的信息维度。

光谱成像在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有着众多应用需求。然而传统基于分光原理的单点光谱仪体积庞大，已有的光谱成像技术一般只能采用逐点逐行扫描或波长扫描的模式，无法获取视野场景中各像素点高精度的实时光谱信息。不仅如此，传统的超表面设计主要基于规则形状的超原子，还限制了其性能进一步提升。

CMOS图像传感器是一种使用CMOS(互补金属氧化物半导体)的固态图像传感器。近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇副教授等，通过硅基超表面实现对入射光的频谱域调制，利用CMOS图像传感器完成频谱域到电域的投影测量，再采用压缩感知算法进行光谱重建，并进一步通过超表面的大规模阵列集成实现实时光谱成像。

而目前，团队已经基于超表面实现了国际首款实时超光谱成像芯片。该款芯片将单点光谱仪的尺寸缩小到百微米以下，空间分辨率超过15万光谱像素，即在0.5平方厘米的芯片上集成了15万个微型光谱仪，可快速获得每个像素点的光谱，工作谱宽450~750nm，分辨率高达0.8nm。

不仅如此，研究团队还与清华大学生物医学工程系洪波教授团队合作，他们基于该实时超光谱成像芯片，首次测量了活体大鼠脑部血红蛋白及其衍生物的特征光谱的动态变化，时间分辨率高达30Hz。并通过实时光谱成像，获得了大鼠脑部不同位置的动态光谱变化情况，结合血红蛋白的特征吸收峰，分析获取对应血管区和非血管区血红蛋白含量的变化情况，并可利用神经血氧耦合的机制，得出脑部神经元的活跃状态。

研究团队还进一步提出了基于自由形状超原子超表面的超光谱成像芯片，可突破规则形状的超表面设计，扩大超表面的参数设计空间，进一步提升光谱成像性能。自由形状超原子的超表面调制单元具有更加丰富的布洛赫(Bloch)模式，增加了透射谱的丰富性，从而提升了光谱重建精度和光谱分辨率。对宽谱光和窄谱光进行测量重建的结果表明，窄谱光重建的中心波长偏差标准差仅为0.024nm，24色标准色卡的平均光谱重建保真度达到了98.78%。

清华团队研发的实时超光谱成像芯片是微纳光电子与光谱技术的深度交叉融合，作为光谱技术的颠覆性进展，展示出在实时传感领域的重要应用潜力，相关成果已进行产业化。该项研究工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域具有应用需求。并且进一步提升了超表面光谱成像芯片的性能，推动未来光谱成像芯片发展及其在实时传感领域的应用。

(资料来源：澎湃新闻)

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