片上光譜復用感知架構及其工作原理

北京理工大學張軍院士團隊首創片上光譜復用感知架構，自主研制了國際首款百通道百萬像素高光譜實時成像器件，光能利用率創造世界最高記錄。11月7日，團隊相關成果發表在《Nature》期刊，文章題為“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”。

團隊提出了片上光譜復用感知理論與技術，顛覆了傳統幾何分光、窄帶測量、物理輸出模式，實現了片上寬帶異化調控的高光譜成像。團隊自主研制了高光譜智能成像器件，將光能利用率由典型的不足25%跨越提升至74.8%。該器件僅重數十克，工作波段覆蓋了可見光和近紅外超寬波段(400-1700nm)，具有國際領先的空-時-譜分辨率(1024×1024@124fps，96通道)，擁有完全自主知識產權。

論文第一作者為北京理工大學邊麗蘅教授、博士研究生王振、碩士研究生張宇哲，通訊作者為張軍院士和邊麗蘅教授，北京理工大學為唯一完成單位。

光譜被稱為“光基因”，代表了光信號在不同波段的強度分布，表征了目標對光的反射/透射的本征屬性。高光譜成像技術能夠同時獲取目標的空間結構信息和數十甚至上百個波段的光譜信息，可以精準識別目標材質特征，從而實現復雜環境精準辨識，在衛星遙感、深空探測、新質裝備等諸多領域具有重大應用，是世界各國競相追逐的研究熱點與難點。現有高光譜成像技術受限于幾何分光和窄帶測量的傳統模式，空間、時間、光譜分辨率互相折中，系統體積大、重量重、難集成，嚴重制約了其在重大領域的發展和應用。

面向未來新質新域應用的智能化、輕量化探測需求，張軍院士團隊創新提出了片上光譜寬帶感知架構。該架構顛覆傳統分立幾何分光方法，通過集成異化調控實現從復雜系統到集成器件的革新;顛覆傳統窄帶測量機理，通過寬帶耦合測量實現光通量的跨越提升;顛覆傳統物理測量輸出模式，通過智能計算實現高分辨率高光譜成像。

基于此架構，團隊攻克了陣列化寬帶光譜調控、高光譜智能成像器件制備、大規模高分辨光譜重建等一系列關鍵技術，自主研制了國內首款百通道百萬像素高光譜實時成像器件，將光能利用率由典型的不足25%跨越提升至74.8%，創造世界最高記錄。該器件具備體積小(29mm×29mm×42mm)、重量輕(46g)、智能化程度高(實時高光譜成像與目標精準識別)的優勢，在可見-近紅外波段實現高分辨光譜成像。在400-1000nm波段范圍內，光譜分辨率達到2.65nm，時空分辨率為2048×2048@47fps。在400-1700nm波段范圍內，光譜分辨率為8.53nm，時空分辨率為1024×1024@124fps。該器件還擁有較高的成像信噪比(40.2dB)、動態范圍(68.71dB)以及熱穩定性(-60℃-50℃)。

該器件在遙感探測、生命健康、智慧農業、工業自動化等領域展示了廣闊的應用前景。在遙感探測領域，團隊使用該器件拍攝了月球表面的高清光譜視頻，在弱光環境下實現觀測目標的動態遠程監測，展示了該器件優異的光能利用率和時空譜分辨率;在生命健康領域，該器件實現了動態的血氧檢測和水質污染分析;在智慧農業領域，該器件實現了高精度的葉綠素檢測、糖度檢測以及水果淤傷檢測;在工業自動化方面，該器件實現了高精度的紡織物自動分揀。

該工作開辟了片上光學研究新領域，為下一代智能傳感器發展提供了新方法，推動集成電路、電子信息、計算機、物理、材料等多學科的交叉融合發展，助力我國智能裝備變軌超越和自立自強。

該工作得到了國家自然科學基金委優秀青年科學基金、國家重大科研儀器研制專項、基礎科學中心、面上基金等項目資助。

審核編輯 黃宇