咔嚓！
拿起手机对着桌上的苹果拍一张照片
除了可以知道
苹果的大小、颜色和形状
手机镜头上的“火眼金睛”
也能实时获取苹果的光谱图像
立即分析出苹果甜不甜
有没有农药残留……
多年来，清华大学电子工程系黄翊东教授团队崔开宇副教授等致力于光谱成像芯片的研发，研制出国际首款实时超光谱成像芯片。无须大型实验设备、不用专业人员取样检测……这款体积小、高性能的芯片仅通过类似拍照的方式，即可拥有孙悟空般“火眼金睛”的能力，实时解锁物质密码。
国际首款实时超光谱成像芯片
潜心攻关——探寻物质的指纹
有了光，人类眼中才有了万紫千红。千百年来，开普勒、笛卡尔、牛顿等著名科学家前赴后继，投身到光的探索中。
“围绕‘光芯片’这件事，我们做了18年。”黄翊东团队站在前人的肩上，持续研究新型的光芯片。自2003年回到母校清华大学任教以来，黄翊东带领团队致力于微纳光电子领域的研究，取得了一系列丰硕的研究成果。国际首款实时超光谱成像芯片就是其重要成果之一。崔开宇从2005年攻读博士期间，就在导师黄翊东的指导下开展光子晶体的研究，大家平时看到蝴蝶翅膀之所以色彩斑斓，正是因为上面的“光子晶体”结构，而这也正是光谱成像芯片的关键研究基础。
黄翊东带领团队开展微纳结构器件的实验测试
简单来讲，光可以理解为一种电磁辐射，根据辐射频率的不同，分为无线电波、微波、红外光、可见光等，人类的眼睛可以感知红绿蓝三原色，通过大脑将三原色自动混合感知成其他颜色，但无法分辨光场的真正频率。“不同物质对不同频率的光吸收不同，反映出不同的光谱。我们眼睛看到的颜色其实是物质光谱的降维信息，仅凭人眼判断事物的信息量非常有限，而光谱成像可以带来超越人眼分辨能力的机器视觉。”崔开宇说。
以机器视觉来扩展人眼视觉，让普通人拥有“火眼金睛”的能力，这或许是国际首款实时超光谱成像芯片研发的灵感来源。正如电子系2018级博士生杨家伟提到的，光谱检测可以理解为，把眼睛看到的颜色所包含的光场频率呈现了出来，进而可以通过算法分析出对应物质的详细信息。
“不同的物质具有不同的特征光谱，所以说光谱是物质的指纹，可以反映物质的信息，光谱作为物质感知的重要维度意义重大。”然而，在实际应用中这个重要的维度并没有释放出它的巨大潜力。已有的大型单点扫描式光谱成像仪尽管发挥了一定的作用，但局限性非常突出：除了个头大、价格高外，只能单点扫描，不能获得同一时刻空间各点的光谱信息，无法跟踪移动的物体。如何实现实时光谱成像的创新突破，成为摆在黄翊东团队师生面前的考题。
创新突破——研发国际首款“火眼金睛”
这道考题看起来简单，解起来难。崔开宇表示，这种光电子芯片在物理效应、制备工艺、算法配合上都需要创新突破，技术壁垒非常高。
在黄翊东看来，中国和其他国家在微纳光电子领域的研究可谓是齐头并进，在技术水平上有着数十年的积累。清华人以服务国家为己任，不但不能被“卡住脖子”，而且要通过创新走在前沿，在全球范围内创造不会被卡脖子的引领技术。
志不求易者成，事不避难者进。抱着这样的信心和决心，黄翊东带领团队迎难而上。在团队成员崔开宇的指导下，蔡旭升、熊健、杨家伟、徐晟等一批同学一头扎进去，在团队积累的光子晶体等技术经验基础上，克服了制备工艺、算法配合等难题，完成了实时超光谱成像芯片的初步研发。
蔡旭升对光谱相机进行实验测试
团队成员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。期刊《科学》（Science）综述论文“光谱仪的小型化”（“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。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，将微纳光电子与光谱技术深度交叉融合。成果连续在光子领域著名期刊《光学》（Optica）和《激光与光子学评论》（ Laser & Photonics Reviews ）上发表文章。
基于自由形状超原子超表面的光谱成像芯片
（图片来源：Laser & Photonics Reviews. https://doi. org/10.1002/lpor.202100663）
相比过去的光谱成像设备，国际首款实时超光谱成像芯片有显著优势：体积小、性能高、可实时光谱成像。光谱成像芯片在0.5平方厘米面积上集成了超过15万个微型光谱仪，单点微型光谱仪从笔记本大小缩小到百微米以内，光谱分辨率高达0.5nm，并且一次拍照便可获得图像上15万像素的光谱；从原来只能单点扫描到实时拍摄，解决了原来不能获取目标动态光谱的难题，通过视频拍摄的实时光谱画面，分析得出背后的物质信息。
研以致用——让普通人零距离“看见光谱”
习近平总书记对科学家和广大科技工作者提出明确要求，要坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断向科学技术广度和深度进军。不管是科技强国还是立德树人，黄翊东和崔开宇都认为让科技研发成果从实验室走向实际应用是非常重要的。
实时超光谱成像芯片走向应用最重要的意义是提供了信息获取“全新的维度”，看透物质的“火眼金睛”，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域都有广阔应用场景。抱着“让光谱感知无处不在”的愿景，团队致力于“让光谱把它的威力真正发挥出来”，先后孵化了北京与光科技有限公司等创新企业，进行“实时超光谱成像技术+X”的探索。
与光科技快照式超光谱相机及保真的RGB实时成像
以实时超光谱成像技术加炼钢为例，以前在转炉中完成炼钢时，主要是凭借工人的经验和一次性的测温设备，对于上千度的炉温，这两种方式危险性和误差都很大。而采用实时超光谱成像的技术，只需要在距离转炉约20米处拍一张照片，就可以得到一个相对准确的炉内温度，安全性更强，误差更小。
实时超光谱相机用于炼钢终点控制实现实时温度检测
面向人民生命健康，是崔开宇和同学们非常期待的努力方向。研究团队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，获取了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，并可利用神经血氧耦合的机制得出脑部神经元的活跃状态。
国际首款实时超光谱成像芯片及大鼠脑部不同位置的动态光谱变化
（图片来源：Optica. https://doi.org/10.1364/OPTICA.440013）
崔开宇还带领同学们进行了诸多探索。她举例说，一旦把实时超光谱成像技术引入到病理诊断分析，将会给病理诊断开拓一个全新的维度：一方面可以提高原有疾病诊断的覆盖度和准确度，另一方面也可以在细胞没有发生明显形态变化时通过物质分析做一些疾病的早期诊断。更为重要的是，光谱成像方案不需要进行染色制片后在显微镜下观察，未来在手术中就可以实时进行病理诊断。此外，作为一种非接触、非破坏式的检测，实时超光谱成像技术有可能为无创的血糖检测提供新的契机。未来，糖尿病人可能不需要通过扎手指或抽血的方式，仅通过拍照和穿戴等方式就可以实时进行血糖监测。
从科学研究、技术研发、工程化研究到产业化落地应用，黄翊东的感受是“每一步都很不容易”，可谓砥砺前行，但学生在这种全链条、贯通式的培养中收获颇丰。作为指导老师，崔开宇希望为学生找到一个好的发力方向“让同学们参与并做一些能改变别人生活、提高人民幸福感的事情，大家会非常有激情和内驱力”，从而调动学生的积极性并且“乐在其中甘如饴，进而一步一步地去想办法解决真问题”。“非常感谢老师给予我们放开思路的勇气、不断试错的鼓励、研究真问题的指引和细致入微的共情。”电子系2020级博士生徐晟感慨道。
如今，徐晟从课题组已有的研究更进一步，致力于构建一种新型光谱感知器件和算法体系，能更快捷高效地“解码”物质的信息。在未来，可能仅需拍一张照片，就可以进行血糖监测、确定癌细胞的切除位置、了解皮肤状态、检测水质、了解病虫害信息……大家都可以零距离“感受光谱”，随时随地享受光谱拍照的“火眼金睛”为生产生活带来的便利。
文章来源｜清华大学公众号
审核｜汪玉、李冬梅
