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10月15日，清華大學(xué)電子工程系方璐教授團(tuán)隊(duì)在智能光子領(lǐng)域取得里程碑式突破，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片“玉衡”。該成果標(biāo)志著我國在智能光子技術(shù)與高精度成像測量領(lǐng)域邁入國際前沿，相關(guān)研究論文已在線發(fā)表于國際頂級學(xué)術(shù)期刊《自然》。 傳統(tǒng)光譜成像技術(shù)長期面臨“分辨率越高、通量越低”的矛盾。傳統(tǒng)物理分光方式依賴機(jī)械旋轉(zhuǎn)濾光片或棱鏡分光，導(dǎo)致設(shè)備體積龐大、采集速度緩慢，且光譜分辨率與成像通量難以兼顧。例如，天文觀測中完成銀河系千億顆恒星的光譜巡天需數(shù)千年，工業(yè)檢測中高精度光譜分析效率低下，成為制約科學(xué)探索與產(chǎn)業(yè)升級的關(guān)鍵瓶頸。 方璐教授團(tuán)隊(duì)提出“可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)”，通過光子調(diào)制與計(jì)算重建替代物理分光，利用隨機(jī)干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計(jì)算。這一創(chuàng)新使“玉衡”芯片在400—1000納米寬光譜范圍內(nèi)，同時(shí)達(dá)到亞埃米級光譜分辨率（接近原子尺度）和千萬像素級空間分辨率，單次快照即可同步獲取全光譜與全空間信息，成像分辨能力較傳統(tǒng)技術(shù)提升兩個(gè)數(shù)量級。 “玉衡”芯片尺寸僅約2厘米×2厘米×0.5厘米，重量不足20克，卻集成了復(fù)雜的光子調(diào)制與計(jì)算系統(tǒng)。其核心優(yōu)勢在于： 全光譜快照能力：單次曝光即可捕獲目標(biāo)物體的完整光譜信息，無需掃描或多次采集，效率提升百倍以上； 高空間分辨率：千萬像素級成像能力可清晰分辨微米級結(jié)構(gòu)，適用于精密制造檢測； 抗環(huán)境干擾：全固態(tài)設(shè)計(jì)無需機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件，適應(yīng)振動(dòng)、高溫等極端環(huán)境。 “玉衡”芯片的研發(fā)歷時(shí)五年，團(tuán)隊(duì)攻克了三大技術(shù)難題： 隨機(jī)干涉掩膜設(shè)計(jì)：通過算法優(yōu)化掩膜結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)光場的高效調(diào)制與噪聲抑制； 鈮酸鋰電光重構(gòu)：利用鈮酸鋰晶體的強(qiáng)電光效應(yīng)，動(dòng)態(tài)調(diào)整光子傳播路徑，提升計(jì)算靈活性； 協(xié)同解調(diào)算法：開發(fā)基于壓縮感知的稀疏重建算法，從少量測量數(shù)據(jù)中恢復(fù)高維光譜信息。 方璐教授表示：“‘玉衡’不僅是一顆芯片，更是一種新的成像范式。它打破了物理分光的限制，將計(jì)算引入光子傳播過程，為高精度、高效率的光譜成像提供了全新解決方案�！� 《自然》期刊審稿人高度評價(jià)該成果：“‘玉衡’芯片通過計(jì)算光學(xué)重構(gòu)解決了光譜成像領(lǐng)域的根本性矛盾，其性能指標(biāo)遠(yuǎn)超現(xiàn)有技術(shù)，為微型化、實(shí)時(shí)化的高分辨光譜設(shè)備奠定了基礎(chǔ)�！蹦壳�，團(tuán)隊(duì)已啟動(dòng)產(chǎn)業(yè)化合作，與航天機(jī)構(gòu)、智能制造企業(yè)共同推進(jìn)“玉衡”芯片在衛(wèi)星遙感、工業(yè)檢測等場景的應(yīng)用。 |
