亞埃米級光譜成像芯片“玉衡”問世

【瞧！我們的前沿科技】

本報北京10月15日電 記者鄧暉 從清華大學獲悉，該校電子工程系方璐教授課題組另闢蹊徑，首創了可重構計算光學成像架構，研製出高分辨光譜成像芯片“玉衡”，實現了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。“玉衡”攻克了光譜成像系統的分辨率、效率與集成度難題，可廣泛應用於機器智能、機載遙感、天文觀測等領域，有望為暗物質、黑洞等基礎物理前沿研究提供前所未有的新視野。該研究成果15日在線發表於國際期刊《自然》。

光，是自然最深邃的語言。自1666年牛頓以稜鏡劃開白光，人類便以光譜之筆，書寫對物質與宇宙的理解。光譜記錄着光在不同波長下的強度變化，揭示了物質與光的相互作用，是解析成分、結構與特性的“光學密鑰”。然而，傳統光譜測量受限於分光采集與固化結構，光譜分辨率與成像通量之間長期存在固有矛盾，成為光譜成像領域久未破解的科學難題。

“我們提出可重構計算光學成像架構，將物理分光限制轉化為光子調製與重建過程，挖掘隨機干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構特性，實現了高維光譜調製與高通量解調的協同計算。”方璐介紹，團隊由此研製出亞埃米級高分辨光譜成像芯片——“玉衡”，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，快照光譜成像的分辨能力提升兩個數量級，突破了光譜分辨率與成像通量無法兼得的長期瓶頸。

與傳統體型龐大、採集緩慢的高分辨光譜裝置不同，“玉衡”僅約2釐米×2釐米×0.5釐米大小，在 400至1000納米的寬光譜範圍內實現了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。

“以天文觀測為例，‘玉衡’的快照式成像每秒獲取近萬顆恆星的完整光譜，有望將銀河系千億顆恆星的光譜巡天週期從數千年縮短至十年以內。”方璐介紹，憑藉微型化設計，“玉衡”還可搭載於衞星，有望在數年內繪製出人類前所未見的宇宙光譜圖景。

據悉，目前課題組正基於原理樣片，加速工程化樣機與系統級優化，並將在10.4米口徑加那利大型望遠鏡上進行測試應用。