清華大學團隊研制出國際首款實時超光譜成像芯片

集微網消息，近日，清華大學電子工程系黃翊東教授團隊崔開宇副教授帶領學生在超表面超光譜成像芯片方面取得重要進展，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實現瞭從單點光譜儀到超光譜成像芯片的跨越。期刊《科學》（Science）綜述論文“光譜儀的小型化”將這一超光譜成像芯片技術列為該領域最新的研究成果。

該成果研制的國際首款實時超光譜成像芯片如下圖1所示。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，並進一步通過超表面的大規模陣列集成實現實時光譜成像。該款實時超光譜成像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 cm²芯片上集成瞭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450~750 nm，分辨率高達0.8nm。

研究團隊與清華大學生物醫學工程系洪波教授團隊合作，基於該實時超光譜成像芯片首次測量瞭活體大鼠腦部血紅蛋白及其衍生物的特征光譜的動態變化，時間分辨率高達30Hz。通過實時光譜成像，可獲取大鼠腦部不同位置的動態光譜變化情況，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，並可進一步利用神經血氧耦合的機制得出腦部神經元的活躍狀態。

圖1. 國際首款實時超光譜成像芯片及其性能指標

團隊進一步提出一種自由形狀超原子（Freeform shaped meta-atoms）的超表面設計方法，突破規則形狀的超表面設計限制，研制出基於自由形狀超原子的超表面光譜成像芯片，取得更優異的光譜成像性能。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標準差僅為0.024 nm。24色標準色卡的平均光譜重建保真度達到98.78%。該研究工作進一步提升瞭超表面光譜成像芯片的性能，推動瞭未來光譜成像芯片的發展及其在實時傳感領域的應用。

清華新聞網消息稱，該項成果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，作為光譜技術的顛覆性進展，展示出在實時傳感領域的巨大應用潛力，相關成果已進行產業化。

上述研究成果以“基於可重構超表面的實時超光譜成像芯片及動態腦光譜獲取”為題在《光學設計》（Optica）發表。同時，研究成果還以“基於自由形狀超原子超表面的超光譜成像”為題於期刊《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）發文。該工作得到瞭包括科技部重點研發計劃、國傢自然科學基金、北京市科技計劃、北京市自然科學基金、北京量子信息前沿科學中心、北京量子信息科學研究院的支持。