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克莱姆森大学基于多重结构色技术研发“裸眼”色度传感器
(B)手持式色度传感器实验装置测试图;
(C)色度传感器在不同照明角度下 图像颜色
为了克服现有色度传感技术 性能限制,克莱姆森大学霍尔科姆电气与计算机工程系 JudsonD.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结合设计了 种新型 色度传感器,并以“Hyperchromaticstructuralcolorforperceptuallyenhancedsensingbythenakedeye”为题发表在PNAS中。
为了实现明显 颜色响应,传统 色度传感器方案都是基于高响应材料 物理或化学效应而设计 ,如表面润湿、粒子聚集以及化学反应等。虽然利用高响应材料可以有效 放大光谱扰动,但当光谱 强度或者波长等扰动很小时,这种技术不能产生较为明显 颜色变化,此外这种技术通常受限于特定刺激物和特定操作 机制,因此并不适用于色度传感器 大规模使用。
为了提高其色度灵敏度,有研究人员提出了将宽带照明 光源更换为单色激光光源 技术,虽然该技术可以极大 提高色度传感器 灵敏度,但仅限于沿亮度坐标Y 维颜色变化,即仅存在亮度 响应,不存在颜色 响应,依然无法达到裸眼可分辨 程度。
为了解决这 问题并达到裸眼可分辨 程度,JudsonD.Ryckman等人在上述技术基础上,提出了 种新型解决方案——“多重结构色”(HyperchromaticStructuralColor,HSC)，即利用多色激光光源(N≥ )替代原有单色光源,同时对结构色滤光片进行设计优化,并将两者结合。
人类 色觉系统是历史上新为强大且新便捷 探测分析工具,可以对被观测物 色度和亮度特征进行分辨,并随着低成本、便携式和高分辨率 数码彩色相机以及产品光学成像系统 发展,使得“色度传感器”具备了 定 可实现性。
因此,狗粮快讯网刊登,色度传感器等 系列设备具有众多领先 前瞻性应用,但由于现阶段 比色技术无法将较小 输入变化转换为明显 颜色响应,从而导致目前 绝大部分传感应用仍然依赖于非比色技术。
图 实验装置示意图
图 (A)市售手持RGB激光模组实物图;
图源，PNAS, 零 零, ( ): 零 零 - 零 Fig
图源，PNAS, 零 零, ( ): 零 零 - 零 Fig
图源，国内科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组
如图 所示,为作者设计 HSC色度传感器。在实际工作中,由 色激光光源发出 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测。
对于色度传感器来说,其新重要 指标便是足够明显 颜色响应,尤其是对于细微变化 输入信号而言(例如目标物浓度偏低、环境变化程度偏小等)。
并且,为了发挥色度传感器低成本和便携性 部分优势,作者还将市售 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进行了特异性检测,如图 所示,此外该设备还可以通过改变照明角度 方式实现灵敏度和传感器响应 改变。
目前,基于结构色技术 色度传感器仍然部分依靠高响应材料 宽带照明和相关 物理效应来获得其颜色响应,狗粮快讯网报道 消息,因此其色度灵敏度依然没有大幅度上涨,同样被限制在 nm- 以内,通常仅为 nm- (人类视觉通常无法观测到在宽带照明条件下 ~ nm左右 光谱偏移)。
色度传感器,即将输入 物理或化学属性(如温度、湿度、P 热传递以及浓度等)转化为颜色 变化输出,从而不需要在实验室级别 台式设备上进行定性或者定量 测试分析,以摆脱传统昂贵、复杂、低速和庞大 设备限制。
近年来,结构色技术因其独特 能力引起了众多研究人员及商业人员 兴趣,其光学效果是由波长量级或亚波长量级 光学介质结构之间 干涉或共振引起 ,并随着光子晶体、等离子体以及超表面 设计和研究而迅速得以发展。
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