北理工團隊開辟片上光學研究新領域
發布日期：2024-11-07 供稿：前沿交叉科學研究院 攝影：前沿交叉科學研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數：
北京理工大學張軍院士團隊，首創片上光譜復用感知架構，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，光能利用率創造世界最高記錄。11月7日，團隊相關成果發表在《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用感知理論與技術，顛覆了傳統幾何分光、窄帶測量、物理輸出模式，實現了片上寬帶異化調控的高光譜成像。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），具有國際領先的空-時-譜分辨率（1024×1024@124fps，96通道），擁有完全自主知識產權。
論文第一作者為北京理工大學邊麗蘅教授、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，表征了目標對光的反射/透射的本征屬性。高光譜成像技術能夠同時獲取目標的空間結構信息和數十甚至上百個波段的光譜信息，可以精準識別目標材質特征，從而實現復雜環境精準辨識，在衛星遙感、深空探測、新質裝備等諸多領域具有重大應用，是世界各國競相追逐的研究熱點與難點。現有高光譜成像技術受限于幾何分光和窄帶測量的傳統模式，空間、時間、光譜分辨率互相折中，系統體積大、重量重、難集成，嚴重制約了其在重大領域的發展和應用。
面向未來新質新域應用的智能化、輕量化探測需求，張軍院士團隊創新提出了片上光譜寬帶感知架構。該架構顛覆傳統分立幾何分光方法，通過集成異化調控實現從復雜系統到集成器件的革新；顛覆傳統窄帶測量機理，通過寬帶耦合測量實現光通量的跨越提升；顛覆傳統物理測量輸出模式，通過智能計算實現高分辨率高光譜成像。
片上光譜復用感知架構及其工作原理
基于此架構，團隊攻克了陣列化寬帶光譜調控、高光譜智能成像器件制備、大規模高分辨光譜重建等一系列關鍵技術，自主研制了國內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精準識別）的優勢，在可見-近紅外波段實現高分辨光譜成像。在400-1000nm波段范圍內，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，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）、動態范圍（68.71dB）以及熱穩定性（-60℃-50℃）。
該器件在遙感探測、生命健康、智慧農業、工業自動化等領域展示了廣闊的應用前景。在遙感探測領域，團隊使用該器件拍攝了月球表面的高清光譜視頻，在弱光環境下實現觀測目標的動態遠程監測，展示了該器件優異的光能利用率和時空譜分辨率；在生命健康領域，該器件實現了動態的血氧檢測和水質污染分析；在智慧農業領域，該器件實現了高精度的葉綠素檢測、糖度檢測以及水果淤傷檢測；在工業自動化方面，該器件實現了高精度的紡織物自動分揀。
該工作開辟了片上光學研究新領域，為下一代智能傳感器發展提供了新方法，推動集成電路、電子信息、計算機、物理、材料等多學科的交叉融合發展，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基金委優秀青年科學基金、國家重大科研儀器研制專項、基礎科學中心、面上基金等項目資助。
附作者介紹：
北京理工大學黨委書記，中國工程院院士。長期從事航空通信導航、智能無人系統、天空地一體化網絡、復雜環境科學探測等領域的研究與人才培養。主持研制了我國民航首個新一代空中交通服務平臺、首套星基航路運行監視裝備和首套民航機載飛行校驗平臺，研究成果獲得廣泛應用。在國際上率先提出“空事衛星”（AeroSAT）概念并推動列入國家中長期科技發展規劃，牽頭推動北斗衛星導航系統進入國際民航組織標準體系。作為第一完成人獲國家技術發明一等獎2項、國家科技進步一等獎1項，國家教學成果一等獎1項。
邊麗蘅，北京理工大學前沿交叉科學研究院教授、博士生導師，國家優秀青年基金獲得者，長期從事片上光學研究，出版“十四五”國家重點出版物專著《計算成像與感知》，以第一/通訊作者身份在Nature（1）、Nature Communications（4）、Light: Science & Applications（2）、eLight（1）等期刊發表高水平論文50余篇，授權國內外發明專利50余項，獲中國電子學會技術發明一等獎（序1/6）、中國圖象圖形學學會技術發明一等獎（序2/6），指導學生獲得中國傳感器創新創業大賽全國二等獎、挑戰杯首都賽特等獎。擔任《Optics Letters》專題主編，《Light: Science & Applications》、《Light: Advanced Manufacturing》客座主編，《光學學報（網絡版）》編委。
王振，北京理工大學2021級博士生，導師為邊麗蘅教授，研究方向為片上多維計算成像。授權發明專利2項，獲中國國際大學生創新大賽北京賽區一等獎，首都挑戰杯大學生創新創業大賽特等獎、全國研究生數學建模競賽三等獎，特等學業獎學金等榮譽。
張宇哲，北京理工大學2021級碩士研究生，導師為張軍院士，研究方向為片上光譜成像。以第一/共一作者在Nature、Advanced Materials、CVPR等期發表高水平論文4篇，授權發明專利2項，獲首都挑戰杯大學生創新創業特等獎、北京市優秀畢業生、國家獎學金等榮譽。
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