片上光譜復(fù)用感知架構(gòu)及其工作原理

北京理工大學(xué)張軍院士團隊首創(chuàng)片上光譜復(fù)用感知架構(gòu)，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(chuàng)造世界最高記錄。11月7日，團隊相關(guān)成果發(fā)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(fù)用感知理論與技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)幾何分光、窄帶測量、物理輸出模式，實現(xiàn)了片上寬帶異化調(diào)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(shù)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(lǐng)先的空-時-譜分辨率(1024×1024@124fps，96通道)，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

論文第一作者為北京理工大學(xué)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(xué)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(biāo)對光的反射/透射的本征屬性。高光譜成像技術(shù)能夠同時獲取目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)信息和數(shù)十甚至上百個波段的光譜信息，可以精準(zhǔn)識別目標(biāo)材質(zhì)特征，從而實現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境精準(zhǔn)辨識，在衛(wèi)星遙感、深空探測、新質(zhì)裝備等諸多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用，是世界各國競相追逐的研究熱點與難點。現(xiàn)有高光譜成像技術(shù)受限于幾何分光和窄帶測量的傳統(tǒng)模式，空間、時間、光譜分辨率互相折中，系統(tǒng)體積大、重量重、難集成，嚴(yán)重制約了其在重大領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用。

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

基于此架構(gòu)，團隊攻克了陣列化寬帶光譜調(diào)控、高光譜智能成像器件制備、大規(guī)模高分辨光譜重建等一系列關(guān)鍵技術(shù)，自主研制了國內(nèi)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(chuàng)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(biāo)精準(zhǔn)識別)的優(yōu)勢，在可見-近紅外波段實現(xiàn)高分辨光譜成像。在400-1000nm波段范圍內(nèi)，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(nèi)，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(tài)范圍(68.71dB)以及熱穩(wěn)定性(-60℃-50℃)。

該器件在遙感探測、生命健康、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動化等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景。在遙感探測領(lǐng)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(huán)境下實現(xiàn)觀測目標(biāo)的動態(tài)遠程監(jiān)測，展示了該器件優(yōu)異的光能利用率和時空譜分辨率;在生命健康領(lǐng)域，該器件實現(xiàn)了動態(tài)的血氧檢測和水質(zhì)污染分析;在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，該器件實現(xiàn)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(yè)自動化方面，該器件實現(xiàn)了高精度的紡織物自動分揀。

該工作開辟了片上光學(xué)研究新領(lǐng)域，為下一代智能傳感器發(fā)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(xué)科的交叉融合發(fā)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(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金、國家重大科研儀器研制專項、基礎(chǔ)科學(xué)中心、面上基金等項目資助。

審核編輯 黃宇