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超表面实时超光谱成像芯片

超表面实时超光谱成像芯片 两江科技评论
2022-05-07
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导读：近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇老师带领学生研制出国际首款实时超光谱成像芯片。

01 导读

近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇老师带领学生研制出国际首款实时超光谱成像芯片，相比已有光谱检测技术实现了从单点光谱仪到光谱成像芯片的跨越。
相关成果以“Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces”为题于2022年4月22日发表在Optica上。
2022 | 前沿进展

02 研究背景

光谱作为物质指纹，可以揭示物质的组分和含量。光谱成像可以获取成像视场内各像素点的光谱，将为智能感知技术开拓一个新的信息维度，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有巨大的应用需求。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。

03 研究创新点

该团队成功研制了国际首款实时超光谱成像芯片：利用硅基超表面实现对入射光的频谱域调制，CMOS图像传感器进行频谱域到电域的投影测量，再通过压缩感知算法进行光谱重建，并进一步地，通过超表面的大规模阵列集成实现实时光谱成像。
图1展示了该实时超光谱成像芯片。研究团队提出基于图像自适应的可重构超表面超晶胞，通过超表面单元结构的空分复用，解决了计算光谱难以兼顾频谱分辨率和空间分辨率的局限。

图 1 实时超光谱成像芯片（a）基于图像自适应的可重构超表面超晶胞；（b）基本调制单元原理图；（c）快照式光谱成像；（d）超表面单元的SEM图像及光谱调制作用曲线

他们在实验上成功制备出的国际首款实时超光谱成像芯片，将单点光谱仪的尺寸缩小到百微米以下，空间分辨率超过15万像素，即在0.5 cm2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450~750 nm，分辨率高达0.8 nm，测试结果如图2所示。

图 2 光谱成像芯片的频谱测量结果（a）单色光的光谱测量（b）单色光测量误差（c）双峰分辨精度

该团队与清华大学生物医学工程系洪波教授团队合作，使用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，时间分辨率可达30 Hz。通过实时光谱成像，可获取小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，并可进一步利用神经血氧耦合的机制得出脑部神经元的活跃状态。

图 3 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（a）大鼠脑血管多帧图像（b）在CIS顶部具有可重构超表面超晶胞的实时超光谱成像芯片（c）重建光谱及对应特征物质吸收峰（d-e）HbO与HbR相关性的区域差异

04 总结与展望

该研究工作是微纳光电子与光谱技术的深度交叉融合，为未来光谱成像芯片的发展及应用推广提供了重要参考，同时作为一种非侵入式的检测手段，展示出光谱成像芯片在实时传感领域的巨大潜力。
相关成果已进行产业化，创立了光谱芯片成果转化企业“北京与光科技有限公司”，获数亿元融资，入选2021创业邦100未来独角兽，VENTURE50新芽榜，2021年中关村国际前沿科技创新大奖-集成电路领域TOP 10。
清华大学博士生熊健、博士后蔡旭升、副教授崔开宇为该工作的共同第一作者。崔开宇为论文的通讯作者，清华大学为论文第一单位。该工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、北京市自然科学基金、北京量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院的大力支持。
论文链接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.440013

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