结构色技术："裸眼"色度传感器

来源：两江科技评论

撰稿 | 王玉（哈工大 博士生）

人类的色觉系统是历史上最为强大且最便捷的探测分析工具，可以对被观测物的色度和亮度特征进行分辨，并随着低成本、便携式和高分辨率的数码彩色相机以及其他光学成像系统的发展，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学术出版中心，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、热传递以及浓度等）转化为颜色的变化输出，从而不需要在实验室级别的台式设备上进行定性或者定量的测试分析，以摆脱传统昂贵、复杂、低速和庞大的设备限制。

因此，色度传感器等一系列设备具有众多领先的前瞻性应用，但由于现阶段的比色技术无法将较小的输入变化转换为明显的颜色响应，从而导致目前的绝大部分传感应用仍然依赖于非比色技术。

为了克服现有色度传感技术的性能限制，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结合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”为题发表在PNAS中。

对于色度传感器来说，其最重要的指标便是足够明显的颜色响应，尤其是对于细微变化的输入信号而言（例如目标物浓度偏低、环境变化程度偏小等）。

为了实现明显的颜色响应，传统的色度传感器方案都是基于高响应材料的物理或化学效应而设计的，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，这种方法不能产生较为明显的颜色变化，此外这种方法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，结构色技术因其独特的能力引起了众多研究人员及商业人员的兴趣，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干涉或共振引起的，并随着光子晶体、等离子体以及超表面的设计和研究而迅速得以发展。

目前，基于结构色技术的色度传感器仍然主要依靠高响应材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测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，有研究人员提出了将宽带照明的光源更换为单色激光光源的方法，虽然该方法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的一维颜色变化，即仅存在亮度的响应，不存在颜色的响应，依然无法达到裸眼可分辨的程度。

为了解决这一问题并达到裸眼可分辨的程度，Judson D. Ryckman等人在上述方法基础上，提出了一种新型解决方案——“多重结构色”（Hyperchromatic Structural Color，HSC）：即利用多色激光光源（N≥2）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。

如图1所示，为作者设计的HSC色度传感器。在实际工作中，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测。

图1 实验装置示意图

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

并且，为了发挥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进行了特异性检测，如图2所示，此外该设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）色度传感器在不同照明角度下的图像颜色

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

以上这些实验证明，HSC色度传感器实现了裸眼直接检测的无标记颜色响应，其色素灵敏度比普通的色度传感器高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。为无标记生物色度传感器提供了一条极具前景的实现途径，同时也为结构与环境检测、多线传感和即时诊断等传感设备提供了一种潜在的设计方案。