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

從理論到實(shí)踐：研發(fā)進(jìn)程的突破性跨越

“我們提出可重構(gòu)計(jì)算光學(xué)成像架構(gòu)，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(shí)表示，團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)光譜成像的固有瓶頸，通過挖掘隨機(jī)干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構(gòu)特性，實(shí)現(xiàn)了高維光譜調(diào)制與高通量解調(diào)的協(xié)同計(jì)算。

這項(xiàng)研究并非一蹴而就，方璐教授團(tuán)隊(duì)在光譜成像和智能光子領(lǐng)域深耕多年。2015 年，該團(tuán)隊(duì)開始探索智能光子技術(shù)，提出分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)，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(chǔ)。2020 年，該團(tuán)隊(duì)研制出國際首款大規(guī)模通用智能光計(jì)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(guān)注。

同時(shí)，早在三年前，方璐團(tuán)隊(duì)就已開始探索計(jì)算光學(xué)成像的新路徑。在反復(fù)實(shí)驗(yàn)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(gòu)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(tuán)隊(duì)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(biāo)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(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)光譜分辨率、千萬像素級(jí)空間分辨率的快照光譜成像。與傳統(tǒng)光譜測(cè)量技術(shù)相比，“玉衡” 實(shí)現(xiàn)了快照光譜成像分辨能力提升兩個(gè)數(shù)量級(jí)的突破，可實(shí)現(xiàn)亞埃米級(jí)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(gè)像素均可獲取完整光譜信息。同時(shí)，這顆芯片采用芯片級(jí)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(shí)時(shí)化、智能化的光譜成像系統(tǒng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

國際技術(shù)格局：中國引領(lǐng)全球光譜成像新方向

放眼全球，光譜成像技術(shù)長期面臨分辨率與通量的矛盾。歐美國家雖在光譜成像領(lǐng)域有長期積累，但受限于傳統(tǒng)架構(gòu)，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(shí)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)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(xué)院、哈佛大學(xué)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(shè)計(jì)，但集成度遠(yuǎn)不及 “玉衡” 芯片；日本索尼、東芝等公司推出的量子點(diǎn)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(shù)，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(shí)現(xiàn)跨越式提升，首次將亞埃米級(jí)精度引入芯片級(jí)快照成像系統(tǒng)，在全球處于領(lǐng)跑地位。

產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景：從 “實(shí)驗(yàn)室” 到 “市場爆發(fā)”

“玉衡” 芯片的問世，不僅是一項(xiàng)科研突破，更為多個(gè)產(chǎn)業(yè)帶來變革性機(jī)遇。

首先是天文觀測(cè)領(lǐng)域，“玉衡” 芯片可用于重構(gòu)宇宙光譜地圖。傳統(tǒng)巡天項(xiàng)目需數(shù)千年才能完成銀河系光譜測(cè)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(shè)計(jì)也使其可廣泛部署于衛(wèi)星、空間望遠(yuǎn)鏡，推動(dòng)宇宙大尺度結(jié)構(gòu)研究、暗物質(zhì)探測(cè)等前沿科學(xué)發(fā)展。

其次是機(jī)載遙感與環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，“玉衡” 具備高空間、高光譜、高時(shí)間分辨率的三重優(yōu)勢(shì)，適用于大氣污染源追蹤、農(nóng)作物病蟲害早期識(shí)別、水資源污染監(jiān)測(cè)、地質(zhì)災(zāi)害預(yù)警等場景。并且，其輕量化和低功耗特性，特別適合無人機(jī)、衛(wèi)星平臺(tái)搭載，推動(dòng)遙感技術(shù)從 “看得見” 走向 “看得清、辨得明”。

在智能制造與機(jī)器視覺領(lǐng)域，“玉衡” 同樣潛力巨大。在工業(yè)檢測(cè)中，它可實(shí)現(xiàn)材料成分在線識(shí)別、產(chǎn)品缺陷光譜級(jí)檢測(cè)、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(xiàng)技術(shù)成果，更是中國高端光電子芯片產(chǎn)業(yè)化的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。目前，方璐團(tuán)隊(duì)正基于原理樣片，加速推進(jìn)工程化樣機(jī)研發(fā)與系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化，并計(jì)劃在 10.4 米口徑加那利大型望遠(yuǎn)鏡上開展測(cè)試應(yīng)用。這一系列舉措表明，“玉衡” 芯片已從實(shí)驗(yàn)室成果向產(chǎn)業(yè)化落地邁出堅(jiān)實(shí)步伐。

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

結(jié)語

這款全球首款亞埃米級(jí)光譜成像芯片，不僅以顛覆性技術(shù)打破了傳統(tǒng)光譜成像中分辨率與通量的固有矛盾，更標(biāo)志著中國在智能光子領(lǐng)域從理論創(chuàng)新到產(chǎn)業(yè)落地的完整突破。當(dāng)這款芯片未來部署于衛(wèi)星、無人機(jī)與智能工廠，它所開啟的不僅是微型化、實(shí)時(shí)化的光譜成像新時(shí)代，更將為我國基礎(chǔ)科學(xué)研究突破與高端裝備制造升級(jí)提供關(guān)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。