近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇副教授带领学生在超表面超光谱成像芯片方面取得重要进展，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超光谱成像芯片的跨越，相关研究成果连续在光子领域旗舰期刊Optica和Laser & Photonics Reviews发文。Science综述论文“Miniaturizationof optical spectrometers”将这一超光谱成像芯片技术列为该领域最新的研究成果。
光谱作为物质的指纹，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了一个新的信息维度，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有着巨大的应用需求。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。
该成果研制的国际首款实时超光谱成像芯片如图1所示。通过硅基超表面实现对入射光的频谱域调制，利用CMOS图像传感器实现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，并进一步通过超表面的大规模阵列集成实现实时光谱成像。该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15万光谱像素，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。
与清华大学生物医学工程系洪波教授团队合作，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30 Hz。通过实时光谱成像，可获取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1：国际首款实时超光谱成像芯片及其性能指标
该团队进一步提出了一种自由形状超原子（Freeform shaped meta-atoms）的超表面设计方法，突破了基于规则形状的超表面设计限制，研制出的基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片，取得了更优异的光谱成像性能（图2）。对宽谱光和窄谱光进行测量重建的结果表明，对于窄谱光重建的中心波长偏差标准差仅为0.024 nm。对24色标准色卡的平均光谱重建保真度达到了98.78%。该研究工作进一步提升了超表面光谱成像芯片的性能，推动了未来光谱成像芯片的发展及其在实时传感领域的应用。
图2：基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片及其性能指标
该项成果的动态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巨大应用潜力。
论文链接：
"Dynamicbrain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chipwith reconfigurable metasurfaces", Optica 9, 461-468 (2022)
https://doi.org/10.1364/OPTICA.440013
"UltraspectralImaging Based on Metasurfaces with Freeform Shaped Meta-Atoms",Laser & Photonics Reviews 2022, 2100663.
https://doi.org/10.1002/lpor.202100663
"Miniaturizationof optical spectrometers", Science 371 (6528), 2021
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abe0722
