【IC設計】清華大學電子系崔開宇等研制出國際首款實時超光譜成像芯片

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光譜成像芯片的研究中取得重要進展，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了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”（“Miniaturization of Optical Spectrometers”）將這一超光譜成像芯片技術列為該領域最新的研究成果。

光譜作為物質的指紋，光譜成像可以獲取成像視場內各像素點物質的組分和含量，為智能感知技術開拓了一個新的信息維度，在工業自動化、智慧醫療、機器視覺、消費電子等諸多領域有著巨大的應用需求。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只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。

該成果研制的國際首款實時超光譜成像芯片如圖1所示。通過硅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。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，并可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

團隊進一步提出了一種自由形狀超原子（Freeform shaped meta-atoms）的超表面設計方法，突破了規則形狀的超表面設計限制，研制出基于自由形狀超原子的超表面光譜成像芯片，取得了更優異的光譜成像性能（圖2）。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了98.78%。該研究工作進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展及其在實時傳感領域的應用。

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標

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“基于可重構超表面的實時超光譜成像芯片及動態腦光譜獲取”（Dynamic brain spectrum acquired by a real-time ultraspectral imaging chip with reconfigurable metasurfaces）為題在《光學》（Optica）發表。電子系2017級博士生熊健、博士后蔡旭升、副教授崔開宇為該論文的共同第一作者。崔開宇為論文的通訊作者。該工作得到了包括科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、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。

同時，研究成果還以“基于自由形狀超原子超表面的超光譜成像”（Ultraspectral Imaging Based on Metasurfaces with Freeform Shaped Meta-Atoms）為題于期刊《激光與光子學評論》（Laser & Photonics Reviews）發文。電子系2018級博士生楊家偉為該工作的第一作者。崔開宇副教授、黃翊東教授為論文的通訊作者。該工作得到了包括科技部重點研發計劃、國家自然科學基金、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。

論文鏈接：

https://doi.org/10.1364/OPTICA.440013
https://doi.org/10.1002/lpor.202100663

封面圖片來源：拍信網