中央民族大学唐鑫团队在红外高光谱成像系统研究获重大突破

红外光谱成像技术可实现无损伤的物质识别成像，在航天遥感、医疗诊断、精准农业、环境监测等领域具有变革性应用价值，成为当前光电领域的研究热点。但现有高光谱成像设备始终面临空间分辨率、光谱分辨率与器件体积间难以兼顾的挑战。红外光谱成像芯片可从探测原理上解决传统光谱成像架构（窄波段探测器拼接且外接光栅、棱镜等分光元件）导致的光谱响应不连续、光子传输损耗与“光-电”噪声叠加等基础科学问题，是支撑航天遥感、智能制造、国防安全等领域的核心关键器件。

针对以上迫切需求，中央民族大学、北京理工大学等单位的研究团队联合攻关，提出了一种能带可重构的量子点高光谱成像芯片像素架构，研发出首款百万像素分辨率、可单极性偏置电压调控的短波红外量子点光谱芯片，为红外高光谱成像系统的微型化、集成化和实用化提供了全新解决方案。3月12日，中央民族大学理学院院长唐鑫教授作为通讯作者的团队研究论文“Hyperspectral quantum-dot image sensors via in-pixel reconfigurable band-alignment”在光学领域期刊《自然 光子学》（Nature Photonics）发表。

本研究提出了一种全新的能带调控机制，通过设计可偏压激活的量子点叠层架构，结合单极性偏置电压实现能带排列的连续重构，生成“准随机”演化的高信噪比响应光谱，彻底消除了传统双极性偏置器件的光电响应“死区”，在全光谱范围内获得了稳定信号采集（图1）。利用量子点的溶液可加工性，可将其与硅基读出电路进行单片集成，突破了空间分辨率、光谱分辨率之间的固有制约矛盾。结合物理先验约束的正则化重建方法，解决了直接反演的不稳定性和噪声敏感性问题，实现了光谱的高精度还原，同时支持原始传感数据直接用于物质分类，大幅节省计算资源，提升检测效率（图2）。

图1 (a) 偏压重构光谱成像芯片工作原理示意图；(b) 偏压重构光谱成像芯片架构示意图；(c)量子点的吸收光谱与光致发光光谱

图2高光谱成像芯片工作原理及成像效果。

(a) 高光谱芯片数据采集工作过程流程图；(b) 带通滤光片的高光谱成像结果；(c) 苹果碰伤检测的高光谱成像；(d) 鉴别仿真花与鲜花的高光谱成像结果；(e) 棉纤维与聚酯纤维分类的高光谱成像结果；(f) 鉴别不同溶剂（异丙醇、水、滴滴涕、三氯乙烯）的高光谱成像结果

该片上集成高光谱成像芯片彻底摆脱了传统设备对外部色散光学元件和移动部件的依赖，未来有望在航空航天、消费电子、精准农业、食品安全、工业检测、环境监测等领域实现产业化应用。

来源：中央民族大学