結(jié)構(gòu)色技術(shù)：“裸眼”色度傳感器

人類的色覺系統(tǒng)是歷史上最為強(qiáng)大且最便捷的探測分析工具，可以對(duì)被觀測物的色度和亮度特征進(jìn)行分辨，并隨著低成本、便攜式和高分辨率的數(shù)碼彩色相機(jī)以及其他光學(xué)成像系統(tǒng)的發(fā)展，使得“色度傳感器”具備了一定的可實(shí)現(xiàn)性。

色度傳感器，即將輸入的物理或化學(xué)屬性（如溫度、濕度、PH、熱傳遞以及濃度等）轉(zhuǎn)化為顏色的變化輸出，從而不需要在實(shí)驗(yàn)室級(jí)別的臺(tái)式設(shè)備上進(jìn)行定性或者定量的測試分析，以擺脫傳統(tǒng)昂貴、復(fù)雜、低速和龐大的設(shè)備限制。

因此，色度傳感器等一系列設(shè)備具有眾多領(lǐng)先的前瞻性應(yīng)用，但由于現(xiàn)階段的比色技術(shù)無法將較小的輸入變化轉(zhuǎn)換為明顯的顏色響應(yīng)，從而導(dǎo)致目前的絕大部分傳感應(yīng)用仍然依賴于非比色技術(shù)。

為了克服現(xiàn)有色度傳感技術(shù)的性能限制，克萊姆森大學(xué)霍爾科姆電氣與計(jì)算機(jī)工程系的Judson D. Ryckman等人將結(jié)構(gòu)色光學(xué)濾光片作為傳感元件并與多色激光光源相結(jié)合設(shè)計(jì)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(fā)表在PNAS中。

對(duì)于色度傳感器來說，其最重要的指標(biāo)便是足夠明顯的顏色響應(yīng)，尤其是對(duì)于細(xì)微變化的輸入信號(hào)而言（例如目標(biāo)物濃度偏低、環(huán)境變化程度偏小等）。

為了實(shí)現(xiàn)明顯的顏色響應(yīng)，傳統(tǒng)的色度傳感器方案都是基于高響應(yīng)材料的物理或化學(xué)效應(yīng)而設(shè)計(jì)的，如表面潤濕、粒子聚集以及化學(xué)反應(yīng)等。雖然利用高響應(yīng)材料可以有效的放大光譜擾動(dòng)，但當(dāng)光譜的強(qiáng)度或者波長等擾動(dòng)很小時(shí)，這種方法不能產(chǎn)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(jī)制，因此并不適用于色度傳感器的大規(guī)模使用。

近年來，結(jié)構(gòu)色技術(shù)因其獨(dú)特的能力引起了眾多研究人員及商業(yè)人員的興趣，其光學(xué)效果是由波長量級(jí)或亞波長量級(jí)的光學(xué)介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)和研究而迅速得以發(fā)展。

目前，基于結(jié)構(gòu)色技術(shù)的色度傳感器仍然主要依靠高響應(yīng)材料的寬帶照明和相關(guān)的物理效應(yīng)來獲得其顏色響應(yīng)，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(nèi)，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(biāo)Y的一維顏色變化，即僅存在亮度的響應(yīng)，不存在顏色的響應(yīng)，依然無法達(dá)到裸眼可分辨的程度。

為了解決這一問題并達(dá)到裸眼可分辨的程度，Judson D. Ryckman等人在上述方法基礎(chǔ)上，提出了一種新型解決方案——“多重結(jié)構(gòu)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(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)色濾光片進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，并將兩者結(jié)合。

如圖1所示，為作者設(shè)計(jì)的HSC色度傳感器。在實(shí)際工作中，由三色激光光源發(fā)出的光經(jīng)耦合后進(jìn)入到多模光纖中，通過準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)裸眼直接觀測。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

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

并且，為了發(fā)揮色度傳感器低成本和便攜性的主要優(yōu)勢(shì)，作者還將市售的手持式RGB激光模塊應(yīng)用于HSC色度傳感器中，并對(duì)生物素-鏈霉親和素相互作用進(jìn)行了特異性檢測，如圖2所示，此外該設(shè)備還可以通過改變照明角度的方式實(shí)現(xiàn)靈敏度和傳感器響應(yīng)的改變。

圖2 （A）市售手持RGB激光模組實(shí)物圖；

（B）手持式色度傳感器實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)證明，HSC色度傳感器實(shí)現(xiàn)了裸眼直接檢測的無標(biāo)記顏色響應(yīng)，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(xù)工作中對(duì)濾光片的Q因子及分辨率進(jìn)一步提高。為無標(biāo)記生物色度傳感器提供了一條極具前景的實(shí)現(xiàn)途徑，同時(shí)也為結(jié)構(gòu)與環(huán)境檢測、多線傳感和即時(shí)診斷等傳感設(shè)備提供了一種潛在的設(shè)計(jì)方案。

責(zé)任編輯：haq