结构色技术:”裸眼”色度传感器

人类的色觉系统是历史上最为壮大且最便捷的探测剖析工具,可以对被观察物的色度和亮度特征举行分辨,并随着低成本、便携式和高分辨率的数码彩色相机以及其他光学成像系统的生长,使得“色度传感器”具备了一定的可实现性。

图源:中国科学院长春光机所,Light学术出书中央,新媒体工作组

色度传感器,即将输入的物理或化学属性(如温度、湿度、PH、热通报以及浓度等)转化为颜色的转变输出,从而不需要在实验室级别的台式装备上举行定性或者定量的测试剖析,以脱节传统昂贵、重大、低速和重大的装备限制。

因此,色度传感器等一系列装备具有众多领先的前瞻性应用,但由于现阶段的比色手艺无法将较小的输入转变转换为显著的颜色响应,从而导致现在的绝大部分传感应用仍然依赖于非比色手艺。

为了战胜现有色度传感手艺的性能限制,克莱姆森大学霍尔科姆电气与计算机工程系的Judson D. Ryckman等人将结构色光学滤光片作为传感元件并与多色激光光源相连系设计了一种新型的色度传感器,并以“Hyperchromatic structural color for perceptually enhanced sensing by the naked eye”为题揭晓在PNAS中。

对于色度传感器来说,其最主要的指标即是足够显著的颜色响应,尤其是对于细微转变的输入信号而言(例如目的物浓度偏低、环境转变水平偏小等)。

为了实现显著的颜色响应,传统的色度传感器方案都是基于高响应质料的物理或化学效应而设计的,如外面润湿、粒子群集以及化学反应等。虽然行使高响应质料可以有用的放大光谱扰动,但当光谱的强度或者波长等扰动很小时,这种方式不能发生较为显著的颜色转变,此外这种方式通常受限于特定刺激物和特定操作的机制,因此并不适用于色度传感器的大规模使用。

近年来,结构色手艺因其怪异的能力引起了众多研究职员及商业职员的兴趣,其光学效果是由波长量级或亚波长量级的光学介质结构之间的过问或共振引起的,并随着光子晶体、等离子体以及超外面的设计和研究而迅速得以生长。

现在,基于结构色手艺的色度传感器仍然主要依赖高响应质料的宽带照明和相关的物理效应来获得其颜色响应,因此其色度灵敏度依然没有大幅度上涨,同样被限制在5nm-1以内,通常仅为1nm-1(人类视觉通常无法观察到在宽带照明条件下1~2nm左右的光谱偏移)。

为了提高其色度灵敏度,有研究职员提出了将宽带照明的光源更换为单色激光光源的方式,虽然该方式可以极大的提高色度传感器的灵敏度,但仅限于沿亮度坐标Y的一维颜色转变,即仅存在亮度的响应,不存在颜色的响应,依然无法到达裸眼可分辨的水平。

为了解决这一问题并到达裸眼可分辨的水平,Judson D. Ryckman等人在上述方式基础上,提出了一种新型解决方案——“多重结构色”(Hyperchromatic Structural Color,HSC):即行使多色激光光源(N≥2)替换原有单色光源,同时对结构色滤光片举行设计优化,并将两者连系。

如图1所示,为作者设计的HSC色度传感器。在现实工作中,由三色激光光源发出的光经耦合后进入到多模光纤中,通过准直透镜入射到多孔硅薄膜滤光片上,并反射到白色漫射屏,从而便可实现裸眼直接观察。

图1 实验装置示意图

图源:PNAS, 2020, 117(48): 30107-30117 Fig 1

而且,为了施展色度传感器低成本和便携性的主要优势,作者还将市售的手持式RGB激光模块应用于HSC色度传感器中,并对生物素-链霉亲和素相互作用举行了特异性检测,如图2所示,此外该装备还可以通过改变照明角度的方式实现灵敏度和传感器响应的改变。

图2 (A)市售手持RGB激光模组实物图;

(B)手持式色度传感器实验装置测试图;

(C)色度传感器在差别照明角度下的图像颜色。

图源:PNAS, 2020, 117(48): 30107-30117 Fig 7

以上这些实验证实,HSC色度传感器实现了裸眼直接检测的无符号颜色响应,其色素灵敏度比通俗的色度传感器高7~30倍,并可以在后续工作中对滤光片的Q因子及分辨率进一步提高。为无符号生物色度传感器提供了一条极具远景的实现途径,同时也为结构与环境检测、多线传感和即时诊断等传感装备提供了一种潜在的设计方案。

文章信息

PNAS December 1, 2020 117 (48) 30107-30117; first published November 16, 2020

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