北京理工大学科研团队开辟片上光学研究新领域

片上光谱复用感知架构及其工作原理

北京理工大学张军院士团队首创片上光谱复用感知架构，自主研制了国际首款百通道百万像素高光谱实时成像器件，光能利用率创造世界最高记录。11月7日，团队相关成果发表在《Nature》期刊，文章题为“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”。

团队提出了片上光谱复用感知理论与技术，颠覆了传统几何分光、窄带测量、物理输出模式，实现了片上宽带异化调控的高光谱成像。团队自主研制了高光谱智能成像器件，将光能利用率由典型的不足25%跨越提升至74.8%。该器件仅重数十克，工作波段覆盖了可见光和近红外超宽波段(400-1700nm)，具有国际领先的空-时-谱分辨率(1024×1024@124fps，96通道)，拥有完全自主知识产权。

论文第一作者为北京理工大学边丽蘅教授、博士研究生王振、硕士研究生张宇哲，通讯作者为张军院士和边丽蘅教授，北京理工大学为唯一完成单位。

光谱被称为“光基因”，代表了光信号在不同波段的强度分布，表征了目标对光的反射/透射的本征属性。高光谱成像技术能够同时获取目标的空间结构信息和数十甚至上百个波段的光谱信息，可以精准识别目标材质特征，从而实现复杂环境精准辨识，在卫星遥感、深空探测、新质装备等诸多领域具有重大应用，是世界各国竞相追逐的研究热点与难点。现有高光谱成像技术受限于几何分光和窄带测量的传统模式，空间、时间、光谱分辨率互相折中，系统体积大、重量重、难集成，严重制约了其在重大领域的发展和应用。

面向未来新质新域应用的智能化、轻量化探测需求，张军院士团队创新提出了片上光谱宽带感知架构。该架构颠覆传统分立几何分光方法，通过集成异化调控实现从复杂系统到集成器件的革新;颠覆传统窄带测量机理，通过宽带耦合测量实现光通量的跨越提升;颠覆传统物理测量输出模式，通过智能计算实现高分辨率高光谱成像。

基于此架构，团队攻克了阵列化宽带光谱调控、高光谱智能成像器件制备、大规模高分辨光谱重建等一系列关键技术，自主研制了国内首款百通道百万像素高光谱实时成像器件，将光能利用率由典型的不足25%跨越提升至74.8%，创造世界最高记录。该器件具备体积小(29mm×29mm×42mm)、重量轻(46g)、智能化程度高(实时高光谱成像与目标精准识别)的优势，在可见-近红外波段实现高分辨光谱成像。在400-1000nm波段范围内，光谱分辨率达到2.65nm，时空分辨率为2048×2048@47fps。在400-1700nm波段范围内，光谱分辨率为8.53nm，时空分辨率为1024×1024@124fps。该器件还拥有较高的成像信噪比(40.2dB)、动态范围(68.71dB)以及热稳定性(-60℃-50℃)。

该器件在遥感探测、生命健康、智慧农业、工业自动化等领域展示了广阔的应用前景。在遥感探测领域，团队使用该器件拍摄了月球表面的高清光谱视频，在弱光环境下实现观测目标的动态远程监测，展示了该器件优异的光能利用率和时空谱分辨率;在生命健康领域，该器件实现了动态的血氧检测和水质污染分析;在智慧农业领域，该器件实现了高精度的叶绿素检测、糖度检测以及水果淤伤检测;在工业自动化方面，该器件实现了高精度的纺织物自动分拣。

该工作开辟了片上光学研究新领域，为下一代智能传感器发展提供了新方法，推动集成电路、电子信息、计算机、物理、材料等多学科的交叉融合发展，助力我国智能装备变轨超越和自立自强。

该工作得到了国家自然科学基金委优秀青年科学基金、国家重大科研仪器研制专项、基础科学中心、面上基金等项目资助。

审核编辑 黄宇