電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文 / 吳子鵬）日前，清華大學電子工程系方璐教授團隊宣布，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片 “玉衡”。這一成果不僅標志著中國在智能光子技術領域取得重大突破，也為高精度成像測量打開了全新的發(fā)展通道。相關研究已在線發(fā)表于國際頂級期刊《自然》。

從理論到實踐：研發(fā)進程的突破性跨越

“我們提出可重構計算光學成像架構，將物理分光限制轉(zhuǎn)化為光子調(diào)制與重建過程?！?方璐教授在介紹研發(fā)歷程時表示，團隊突破傳統(tǒng)光譜成像的固有瓶頸，通過挖掘隨機干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構特性，實現(xiàn)了高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計算。

這項研究并非一蹴而就，方璐教授團隊在光譜成像和智能光子領域深耕多年。2015 年，該團隊開始探索智能光子技術，提出分布式廣度光計算架構，建立干涉 - 衍射聯(lián)合傳播模型，為后續(xù)芯片研發(fā)奠定理論基礎。2020 年，該團隊研制出國際首款大規(guī)模通用智能光計算芯片 “太極 - I”，突破傳統(tǒng)電子芯片算力瓶頸，在國內(nèi)外引起了廣泛關注。

同時，早在三年前，方璐團隊就已開始探索計算光學成像的新路徑。在反復實驗與理論推演中，他們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)分光采集與固化結(jié)構的局限性 —— 光譜分辨率與成像通量之間存在難以調(diào)和的矛盾。團隊另辟蹊徑，將物理分光限制轉(zhuǎn)化為光子調(diào)制與重建過程，最終成功研發(fā)出 “玉衡” 芯片。

“玉衡” 芯片的性能指標令人驚嘆：僅 2 厘米 ×2 厘米 ×0.5 厘米的體積，卻能在 400 至 1000 納米的寬光譜范圍內(nèi)，實現(xiàn)亞埃米級光譜分辨率、千萬像素級空間分辨率的快照光譜成像。與傳統(tǒng)光譜測量技術相比，“玉衡” 實現(xiàn)了快照光譜成像分辨能力提升兩個數(shù)量級的突破，可實現(xiàn)亞埃米級光譜分辨率（<0.1 nm）。傳統(tǒng)光譜裝置往往體型龐大、采集緩慢，而 “玉衡” 卻能在單次快照中同步獲取全光譜與全空間信息，無需在波長維度犧牲通量，每個像素均可獲取完整光譜信息。同時，這顆芯片采用芯片級集成，兼容 CMOS 工藝，具備大規(guī)模量產(chǎn)潛力。

因此，該芯片不僅突破了光譜分辨率與成像通量之間的長期瓶頸，也為微型化、實時化、智能化的光譜成像系統(tǒng)奠定了技術基礎。

國際技術格局：中國引領全球光譜成像新方向

放眼全球，光譜成像技術長期面臨分辨率與通量的矛盾。歐美國家雖在光譜成像領域有長期積累，但受限于傳統(tǒng)架構，其產(chǎn)品往往需在高分辨率與快速成像之間做出妥協(xié)。

美國、歐洲、日本的高分辨光譜裝置通常需要數(shù)小時甚至數(shù)天才能完成一次全光譜掃描，且體積龐大、能耗高，難以實現(xiàn)大規(guī)模應用。而 “玉衡” 芯片的快照式成像能力，每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，將傳統(tǒng)光譜巡天周期從數(shù)千年縮短至十年以內(nèi)。

公開消息顯示，目前美國加州理工學院、哈佛大學研發(fā)的超表面光譜芯片，僅能支持 1–5 nm 的光譜分辨率，雖同樣采用快照式設計，但集成度遠不及 “玉衡” 芯片；日本索尼、東芝等公司推出的量子點光譜傳感器，僅支持 5–10 nm 的光譜分辨率，采用的是凝視式成像方式；歐洲 IMEC、德國弗勞恩霍夫研究所研發(fā)的 MEMS 光譜成像技術，支持的光譜分辨率為 2–10 nm，且集成度較低。

相比之下，“玉衡” 在光譜分辨率和成像通量方面均實現(xiàn)跨越式提升，首次將亞埃米級精度引入芯片級快照成像系統(tǒng)，在全球處于領跑地位。

產(chǎn)業(yè)應用前景：從 “實驗室” 到 “市場爆發(fā)”

“玉衡” 芯片的問世，不僅是一項科研突破，更為多個產(chǎn)業(yè)帶來變革性機遇。

首先是天文觀測領域，“玉衡” 芯片可用于重構宇宙光譜地圖。傳統(tǒng)巡天項目需數(shù)千年才能完成銀河系光譜測繪，而 “玉衡” 每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，將巡天周期壓縮至十年以內(nèi)。其微型化設計也使其可廣泛部署于衛(wèi)星、空間望遠鏡，推動宇宙大尺度結(jié)構研究、暗物質(zhì)探測等前沿科學發(fā)展。

其次是機載遙感與環(huán)境監(jiān)測領域，“玉衡” 具備高空間、高光譜、高時間分辨率的三重優(yōu)勢，適用于大氣污染源追蹤、農(nóng)作物病蟲害早期識別、水資源污染監(jiān)測、地質(zhì)災害預警等場景。并且，其輕量化和低功耗特性，特別適合無人機、衛(wèi)星平臺搭載，推動遙感技術從 “看得見” 走向 “看得清、辨得明”。

在智能制造與機器視覺領域，“玉衡” 同樣潛力巨大。在工業(yè)檢測中，它可實現(xiàn)材料成分在線識別、產(chǎn)品缺陷光譜級檢測、高速分揀與質(zhì)量控制等功能，其快照成像能力使其適用于高速生產(chǎn)線，為智能工廠提供 “光譜之眼”。

“玉衡” 芯片的突破，不僅是一項技術成果，更是中國高端光電子芯片產(chǎn)業(yè)化的關鍵節(jié)點。目前，方璐團隊正基于原理樣片，加速推進工程化樣機研發(fā)與系統(tǒng)級優(yōu)化，并計劃在 10.4 米口徑加那利大型望遠鏡上開展測試應用。這一系列舉措表明，“玉衡” 芯片已從實驗室成果向產(chǎn)業(yè)化落地邁出堅實步伐。

“我們正積極向智能光芯片產(chǎn)業(yè)化邁進，” 方璐表示，“在多種智能系統(tǒng)上推進應用部署，智能光計算平臺將逐步登上 AI 算力舞臺。” 隨著 “玉衡” 芯片的逐步落地，中國智能光子技術有望在全球光譜成像領域鞏固領先地位，為我國在基礎科學研究與高端裝備制造領域提供新的增長點。

結(jié)語

這款全球首款亞埃米級光譜成像芯片，不僅以顛覆性技術打破了傳統(tǒng)光譜成像中分辨率與通量的固有矛盾，更標志著中國在智能光子領域從理論創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)落地的完整突破。當這款芯片未來部署于衛(wèi)星、無人機與智能工廠，它所開啟的不僅是微型化、實時化的光譜成像新時代，更將為我國基礎科學研究突破與高端裝備制造升級提供關鍵支撐，以中國智慧續(xù)寫人類探索光與物質(zhì)、宇宙與未來的嶄新篇章。