前沿进展 | 自由形状超表面超光谱成像芯片

01 导读

近日，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇老师等人研制出了一种基于自由形状超表面的超光谱成像芯片，提出了一种自由形状超原子的超表面设计方法，扩大了超表面的参数设计空间，提升了光谱成像性能。
相关成果以“Ultraspectral Imaging Based on Metasurfaces with Freeform Shaped Meta-Atoms”为题于2022年5月20日发表在Laser & Photonics Reviews上。自由形状超表面超光谱成像芯片2022 | 前沿进展

02 研究背景

光学超表面能够实现对光的相位、幅度、偏振、频谱等参量的灵活调控，研究组前期工作基于超表面实现了国际首款实时超光谱成像芯片（Optica, 9, 461, 2022）。该工作提出基于自由形状超原子（Freeform shaped meta-atoms）超表面的超光谱成像芯片，可突破基于规则形状的超表面设计，扩大超表面的参数设计空间，进一步提升了光谱成像性能，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域有巨大的应用需求。

03 研究创新点

该团队提出了一种基于自由形状超原子的超表面设计方法，通过设计400种不同的硅基超表面超原子，实现对入射光丰富的频域调制，再利用CMOS图像传感器进行频谱域到电域的投影测量，利用压缩感知算法进行光谱重建，并进一步地，通过超表面的大规模阵列集成实现实时光谱成像芯片。
图1展示了基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片结构。基于自由形状超原子的超表面调制单元具有更加丰富的布洛赫模式，提升了透射谱的丰富性，从而提升了光谱重建精度和光谱分辨率。

图 1 基于自由形状超原子的超表面光谱成像芯片（a）芯片结构；（b）制备的400种超表面调制单元的光学显微镜图像；（c）基于自由形状超原子的超表面调制单元透射谱及其布洛赫模式有效折射率；（d）自由形状超原子的生成过程

对于宽谱光和窄谱光的测量重建结果如图2所示，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，并且对于窄谱光重建的中心波长偏差标准差仅为0.024 nm。

图 2 光谱成像芯片的频谱测量结果（a, b）对于宽谱光的光谱测量（b）双峰分辨精度（d）对于窄谱光的光谱测量（e）窄谱光测量误差

进一步，利用该超光谱成像芯片对24色标准色卡和不同水果进行光谱成像，结果如图3所示。以基于空间扫描的商用光谱相机拍摄的结果为参考，利用该光谱相机对于24种颜色的平均光谱重建保真度达到了98.78%。

图 3 对于标准色卡的快照式超光谱成像结果（a）超光谱相机实物图（b）商用光谱相机拍摄得到的RGB伪彩色图（c）利用超光谱相机重建的RGB伪彩色图（d）对于24种颜色的光谱重建结果（e）对于不同水果的光谱成像结果

04 总结与展望

该研究工作提出了一种全新的基于自由形状超原子的超表面设计方法，并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。

相关成果已进行产业化，创立了光谱芯片成果转化企业“北京与光科技有限公司”，获数亿元融资，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TOP 10。

清华大学博士生杨家伟为该工作的第一作者。崔开宇、黄翊东为论文的通讯作者，清华大学为论文第一单位。该工作得到了包括科技部重点研发计划、国家自然科学基金、北京市科技计划、北京市自然科学基金、北京量子信息前沿科学中心、北京量子信息科学研究院的大力支持。

论文链接：https://doi.org/10.1002/lpor.202100663

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编辑 | 方紫璇

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