清华大学研制出全球首款实时超光谱成像芯片

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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,Science综述论文“Miniaturization of 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。科研团队已于2020年创立成果转化项目公司--“北京与光科技有限公司”进行产业化,现科研团队取得新进展,相关研究成果连续在光子领域旗舰期刊Optica和Laser & Photonics Reviews发表,将进一步促进产业化发展。

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图像传感器完成频谱域到电域的投影测量,再采用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。

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图1:国际首款实时超光谱成像芯片

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,突破了规则形状的超表面设计限制,研制出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,该超光谱成像芯片能够实现保真度99%以上的宽谱光重建以及0.5 nm的波长分辨率。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。

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图2:基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片

清华大学电子系光谱芯片成果转化项目公司“北京与光科技有限公司”肩负着清华大学光谱芯片科技成果工程化与商业化的使命,专注于芯片级光谱测量及光谱成像技术的产业化,为全球用户提供先进的光谱芯片、AI算法和智慧感知方案,为行业赋能,支撑相关产业的高效发展。2020年9月成立以来,与光科技受到政府、行业、投资机构的广泛认可,已获得数亿元融资,刷新全球光谱芯片初创公司融资记录。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TOP10,清华大学“校长杯”创新挑战赛金奖、技术创新奖等。

在产品研发方面,与光科技取得突破,已经实现光谱传感芯片、光谱成像芯片、微型光谱仪等模块和设备的研发与制造(图3)。微型化、可量产、高精度、快照式的芯片级光谱成像方案一经推出,便获得行业客户的高度关注,相关产品己经实现销售,同时累计客户储备200 余家。在AIoT、生物检测、材料传感、智慧家居、工业检测等应用场景,与光科技和行业重点客户对智慧感知方案的深度合作开发,正在有序推进。与光科技将不断推动光谱实时传感创新领域的应用发展与融合,拓宽消费级和工业级场景,让光谱感知无处不在!

 

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