半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)網(wǎng)訊：近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊崔開宇副教授帶領(lǐng)學(xué)生在超表面超光譜成像芯片方面取得重要進(jìn)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(shù)實現(xiàn)了從單點光譜儀到超光譜成像芯片的跨越。期刊《科學(xué)》（Science）綜述論文“光譜儀的小型化”將這一超光譜成像芯片技術(shù)列為該領(lǐng)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(jìn)行光譜重建，并進(jìn)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。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450~750 nm，分辨率高達(dá)0.8nm。

 

研究團(tuán)隊與清華大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系洪波教授團(tuán)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態(tài)變化，時間分辨率高達(dá)30Hz。通過實時光譜成像，可獲取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，并可進(jìn)一步利用神經(jīng)血氧耦合的機(jī)制得出腦部神經(jīng)元的活躍狀態(tài)。
 

圖1. 國際首款實時超光譜成像芯片及其性能指標(biāo)

 

團(tuán)隊進(jìn)一步提出一種自由形狀超原子（Freeform shaped meta-atoms）的超表面設(shè)計方法，突破規(guī)則形狀的超表面設(shè)計限制，研制出基于自由形狀超原子的超表面光譜成像芯片，取得更優(yōu)異的光譜成像性能。對寬譜光和窄譜光進(jìn)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0.024 nm。24色標(biāo)準(zhǔn)色卡的平均光譜重建保真度達(dá)到98.78%。該研究工作進(jìn)一步提升了超表面光譜成像芯片的性能，推動了未來光譜成像芯片的發(fā)展及其在實時傳感領(lǐng)域的應(yīng)用。

 

清華新聞網(wǎng)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(shù)的深度交叉融合，作為光譜技術(shù)的顛覆性進(jìn)展，展示出在實時傳感領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力，相關(guān)成果已進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化。