亚埃米级光谱成像芯片“玉衡”问世

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本报北京10月15日电 记者邓晖 从清华大学获悉，该校电子工程系方璐教授课题组另辟蹊径，首创了可重构计算光学成像架构，研制出高分辨光谱成像芯片“玉衡”，实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。“玉衡”攻克了光谱成像系统的分辨率、效率与集成度难题，可广泛应用于机器智能、机载遥感、天文观测等领域，有望为暗物质、黑洞等基础物理前沿研究提供前所未有的新视野。该研究成果15日在线发表于国际期刊《自然》。

光，是自然最深邃的语言。自1666年牛顿以棱镜划开白光，人类便以光谱之笔，书写对物质与宇宙的理解。光谱记录着光在不同波长下的强度变化，揭示了物质与光的相互作用，是解析成分、结构与特性的“光学密钥”。然而，传统光谱测量受限于分光采集与固化结构，光谱分辨率与成像通量之间长期存在固有矛盾，成为光谱成像领域久未破解的科学难题。

“我们提出可重构计算光学成像架构，将物理分光限制转化为光子调制与重建过程，挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性，实现了高维光谱调制与高通量解调的协同计算。”方璐介绍，团队由此研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片——“玉衡”，无需在波长维度牺牲通量，每个像素均可获取完整光谱信息，快照光谱成像的分辨能力提升两个数量级，突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈。

与传统体型庞大、采集缓慢的高分辨光谱装置不同，“玉衡”仅约2厘米×2厘米×0.5厘米大小，在 400至1000纳米的宽光谱范围内实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率的快照光谱成像。

“以天文观测为例，‘玉衡’的快照式成像每秒获取近万颗恒星的完整光谱，有望将银河系千亿颗恒星的光谱巡天周期从数千年缩短至十年以内。”方璐介绍，凭借微型化设计，“玉衡”还可搭载于卫星，有望在数年内绘制出人类前所未见的宇宙光谱图景。

据悉，目前课题组正基于原理样片，加速工程化样机与系统级优化，并将在10.4米口径加那利大型望远镜上进行测试应用。