澎湃新聞記者 王蕙蓉

5月31日，清華大學電子系崔開宇等在超光譜成像芯片的研究中取得重要進展。

超光譜成像芯片裝置操作示意圖，圖片來自論文

清華大學電子工程系黃翊東教授團隊崔開宇副教授等研制出國際首款實時超光譜成像芯片，相比已有光譜檢測技術，其實現了從單點光譜儀到超光譜成像芯片的跨越。

《科學》（Science）綜述論文“光譜儀的小型化”将前述超光譜成像芯片技術列為該領域最新研究成果。

光譜作為物質的指紋，光譜成像可以獲取成像視場内各像素點物質的組分和含量，為智能感知技術開拓一個新的信息維度。它在工業自動化、智慧醫療、機器視覺、消費電子等諸多領域有着衆多應用需求。然而傳統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一般隻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。

此外，光學超表面能夠實現對光的相位、幅度、偏振、頻譜等參量的靈活調控。然而，傳統的超表面設計主要基于規則形狀的超原子，限制了其性能進一步提升。

圖1. 國際首款實時超光譜成像芯片及其性能指标，圖片來自清華電子系

前述團隊基于超表面實現了國際首款實時超光譜成像芯片（如圖1）。他們通過矽基超表面實現對入射光的頻譜域調制，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模陣列集成實現實時光譜成像。CMOS圖像傳感器是一種使用CMOS（互補金屬氧化物半導體）的固态圖像傳感器。

首款實時超光譜成像芯片将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（納米），分辨率高達0.8nm。相關成果發表在《光學設計》(Optica)。該論文共同第一作者為清華電子系2017級博士生熊健、博士後蔡旭升、副教授崔開宇，論文通訊作者為崔開宇。

圖片來自《光學設計》(Optica)

研究團隊與清華大學生物醫學工程系洪波教授團隊合作，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态變化，時間分辨率高達30Hz（赫茲）。通過實時光譜成像，可獲取大鼠腦部不同位置的動态光譜變化情況，結合血紅蛋白的特征吸收峰，分析獲取對應血管區和非血管區血紅蛋白含量的變化情況，并可利用神經血氧耦合的機制，得出腦部神經元的活躍狀态。

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标，圖片來自清華電子系

黃翊東、崔開宇團隊還進一步提出了基于自由形狀超原子(Freeform shaped meta-atoms)超表面的超光譜成像芯片，可突破規則形狀的超表面設計，擴大超表面的參數設計空間，進一步提升光譜成像性能（如圖2），在工業自動化、智慧醫療、機器視覺、消費電子等諸多領域具有應用需求。相關成果發表在Laser & Photonics Reviews，論文第一作者為電子系2018級博士生楊家偉，論文通訊作者為崔開宇、黃翊東。

圖片來自Laser & Photonics Reviews

自由形狀超原子的超表面調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果表明，窄譜光重建的中心波長偏差标準差僅為0.024nm，24色标準色卡的平均光譜重建保真度達到了98.78%。該工作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展及其在實時傳感領域的應用。

清華團隊研發的實時超光譜成像芯片是微納光電子與光譜技術的深度交叉融合，作為光譜技術的颠覆性進展，展示出在實時傳感領域的重要應用潛力，相關成果已進行産業化。光譜芯片成果轉化企業“北京與光科技有限公司”創立後獲數億元融資，入選2021創業邦100未來獨角獸，VENTURE50（中國最具投資價值企業50強）新芽榜，2021年中關村國際前沿科技創新大獎-集成電路領域TOP 10。

責任編輯：李躍群

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