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        結構色技術:"裸眼"色度傳感器

        人類的色覺系統是歷史上最為強大且最便捷的探測分析工具,可以對被觀測物的色度和亮度特征進行分辨,并隨著低成本、便攜式和高分辨率的數碼彩色相機以及其他光學成像系統的發展,使得“色度傳感器”具備了一定的可實現性。

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        圖源:中國科學院長春光機所,Light學術出版中心,新媒體工作組

        色度傳感器,即將輸入的物理或化學屬性(如溫度、濕度、PH、熱傳遞以及濃度等)轉化為顏色的變化輸出,從而不需要在實驗室級別的臺式設備上進行定性或者定量的測試分析,以擺脫傳統昂貴、復雜、低速和龐大的設備限制。

        因此,色度傳感器等一系列設備具有眾多領先的前瞻性應用,但由于現階段的比色技術無法將較小的輸入變化轉換為明顯的顏色響應,從而導致目前的絕大部分傳感應用仍然依賴于非比色技術。

        為了克服現有色度傳感技術的性能限制,克萊姆森大學霍爾科姆電氣與計算機工程系的Judson D. Ryckman等人將結構色光學濾光片作為傳感元件并與多色激光光源相結合設計了一種新型的色度傳感器,并以“Hyperchromatic structural color for perceptually enhanced sensing by the naked eye”為題發表在PNAS中。

        對于色度傳感器來說,其最重要的指標便是足夠明顯的顏色響應,尤其是對于細微變化的輸入信號而言(例如目標物濃度偏低、環境變化程度偏小等)。

        為了實現明顯的顏色響應,傳統的色度傳感器方案都是基于高響應材料的物理或化學效應而設計的,如表面潤濕、粒子聚集以及化學反應等。雖然利用高響應材料可以有效的放大光譜擾動,但當光譜的強度或者波長等擾動很小時,這種方法不能產生較為明顯的顏色變化,此外這種方法通常受限于特定刺激物和特定操作的機制,因此并不適用于色度傳感器的大規模使用。

        近年來,結構色技術因其獨特的能力引起了眾多研究人員及商業人員的興趣,其光學效果是由波長量級或亞波長量級的光學介質結構之間的干涉或共振引起的,并隨著光子晶體、等離子體以及超表面的設計和研究而迅速得以發展。

        目前,基于結構色技術的色度傳感器仍然主要依靠高響應材料的寬帶照明和相關的物理效應來獲得其顏色響應,因此其色度靈敏度依然沒有大幅度上漲,同樣被限制在5nm-1以內,通常僅為1nm-1(人類視覺通常無法觀測到在寬帶照明條件下1~2nm左右的光譜偏移)。

        為了提高其色度靈敏度,有研究人員提出了將寬帶照明的光源更換為單色激光光源的方法,雖然該方法可以極大的提高色度傳感器的靈敏度,但僅限于沿亮度坐標Y的一維顏色變化,即僅存在亮度的響應,不存在顏色的響應,依然無法達到裸眼可分辨的程度。

        為了解決這一問題并達到裸眼可分辨的程度,Judson D. Ryckman等人在上述方法基礎上,提出了一種新型解決方案——“多重結構色”(Hyperchromatic Structural Color,HSC):即利用多色激光光源(N≥2)替代原有單色光源,同時對結構色濾光片進行設計優化,并將兩者結合。

        如圖1所示,為作者設計的HSC色度傳感器。在實際工作中,由三色激光光源發出的光經耦合后進入到多模光纖中,通過準直透鏡入射到多孔硅薄膜濾光片上,并反射到白色漫射屏,從而便可實現裸眼直接觀測。

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        圖1 實驗裝置示意圖

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

        并且,為了發揮色度傳感器低成本和便攜性的主要優勢,作者還將市售的手持式RGB激光模塊應用于HSC色度傳感器中,并對生物素-鏈霉親和素相互作用進行了特異性檢測,如圖2所示,此外該設備還可以通過改變照明角度的方式實現靈敏度和傳感器響應的改變。

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        圖2 (A)市售手持RGB激光模組實物圖;

        (B)手持式色度傳感器實驗裝置測試圖;

        (C)色度傳感器在不同照明角度下的圖像顏色。

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

        以上這些實驗證明,HSC色度傳感器實現了裸眼直接檢測的無標記顏色響應,其色素靈敏度比普通的色度傳感器高7~30倍,并可以在后續工作中對濾光片的Q因子及分辨率進一步提高。為無標記生物色度傳感器提供了一條極具前景的實現途徑,同時也為結構與環境檢測、多線傳感和即時診斷等傳感設備提供了一種潛在的設計方案。

        文章信息

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

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