日前，清华大学电子工程系方璐教授团队宣布，成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片 “玉衡”。这一成果不仅标志着中国在智能光子技术领域取得重大突破，也为高精度成像测量打开了全新的发展通道。相关研究已在线发表于国际顶级期刊《自然》。
从理论到实践：研发进程的突破性跨越
“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。” 方璐教授在介绍研发历程时表示，团队突破传统光谱成像的固有瓶颈，通过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。
这项研究并非一蹴而就，方璐教授团队在光谱成像和智能光子领域深耕多年。2015 年，该团队开始探索智能光子技术，提出分布式广度光计算架构，建立干涉 – 衍射联合传播模型，为后续芯片研发奠定理论基础。2020 年，该团队研制出国际首款大规模通用智能光计算芯片 “太极 – I”，突破传统电子芯片算力瓶颈，在国内外引起了广泛关注。
同时，早在三年前，方璐团队就已开始探索计算光学成像的新路径。在反复实验与理论推演中，他们发现传统分光采集与固化结构的局限性 —— 光谱分辨率与成像通量之间存在难以调和的矛盾。团队另辟蹊径，将物理分光限制转化为光子调制与重建过程，最终成功研发出 “玉衡” 芯片。
“玉衡” 芯片的性能指标令人惊叹：仅 2 厘米 ×2 厘米 ×0.5 厘米的体积，却能在 400 至 1000 纳米的宽光谱范围内，实现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。与传统光谱测量技术相比，“玉衡” 实现了快照光谱成像分辨能力提升两个数量级的突破，可实现亚埃米级光谱分辨率（<0.1 nm）。传统光谱装置往往体型庞大、采集缓慢，而 “玉衡” 却能在单次快照中同步获取全光谱与全空间信息，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。同时，这颗芯片采用芯片级集成，兼容 CMOS 工艺，具备大规模量产潜力。 因此，该芯片不仅突破了光谱分辨率与成像通量之间的长期瓶颈，也为微型化、实时化、智能化的光谱成像系统奠定了技术基础。 国际技术格局：中国引领全球光谱成像新方向 放眼全球，光谱成像技术长期面临分辨率与通量的矛盾。欧美国家虽在光谱成像领域有长期积累，但受限于传统架构，其产品往往需在高分辨率与快速成像之间做出妥协。 美国、欧洲、日本的高分辨光谱装置通常需要数小时甚至数天才能完成一次全光谱扫描，且体积庞大、能耗高，难以实现大规模应用。而 “玉衡” 芯片的快照式成像能力，每秒可获取近万颗恒星的完整光谱，将传统光谱巡天周期从数千年缩短至十年以内。 公开消息显示，目前美国加州理工学院、哈佛大学研发的超表面光谱芯片，仅能支持 1–5 nm 的光谱分辨率，虽同样采用快照式设计，但集成度远不及 “玉衡” 芯片；日本索尼、东芝等公司推出的量子点光谱传感器，仅支持 5–10 nm 的光谱分辨率，采用的是凝视式成像方式；欧洲 IMEC、德国弗劳恩霍夫研究所研发的 MEMS 光谱成像技术，支持的光谱分辨率为 2–10 nm，且集成度较低。 相比之下，“玉衡” 在光谱分辨率和成像通量方面均实现跨越式提升，首次将亚埃米级精度引入芯片级快照成像系统，在全球处于领跑地位。 产业应用前景：从 “实验室” 到 “市场爆发” “玉衡” 芯片的问世，不仅是一项科研突破，更为多个产业带来变革性机遇。 首先是天文观测领域，“玉衡” 芯片可用于重构宇宙光谱地图。传统巡天项目需数千年才能完成银河系光谱测绘，而 “玉衡” 每秒可获取近万颗恒星的完整光谱，将巡天周期压缩至十年以内。其微型化设计也使其可广泛部署于卫星、空间望远镜，推动宇宙大尺度结构研究、暗物质探测等前沿科学发展。 其次是机载遥感与环境监测领域，“玉衡” 具备高空间、高光谱、高时间分辨率的三重优势，适用于大气污染源追踪、农作物病虫害早期识别、水资源污染监测、地质灾害预警等场景。并且，其轻量化和低功耗特性，特别适合无人机、卫星平台搭载，推动遥感技术从 “看得见” 走向 “看得清、辨得明”。 在智能制造与机器视觉领域，“玉衡” 同样潜力巨大。在工业检测中，它可实现材料成分在线识别、产品缺陷光谱级检测、高速分拣与质量控制等功能，其快照成像能力使其适用于高速生产线，为智能工厂提供 “光谱之眼”。 “玉衡” 芯片的突破，不仅是一项技术成果，更是中国高端光电子芯片产业化的关键节点。目前，方璐团队正基于原理样片，加速推进工程化样机研发与系统级优化，并计划在 10.4 米口径加那利大型望远镜上开展测试应用。这一系列举措表明，“玉衡” 芯片已从实验室成果向产业化落地迈出坚实步伐。 “我们正积极向智能光芯片产业化迈进，” 方璐表示，“在多种智能系统上推进应用部署，智能光计算平台将逐步登上 AI 算力舞台。” 随着 “玉衡” 芯片的逐步落地，中国智能光子技术有望在全球光谱成像领域巩固领先地位，为我国在基础科学研究与高端装备制造领域提供新的增长点。 结语 这款全球首款亚埃米级光谱成像芯片，不仅以颠覆性技术打破了传统光谱成像中分辨率与通量的固有矛盾，更标志着中国在智能光子领域从理论创新到产业落地的完整突破。当这款芯片未来部署于卫星、无人机与智能工厂，它所开启的不仅是微型化、实时化的光谱成像新时代，更将为我国基础科学研究突破与高端装备制造升级提供关键支撑，以中国智慧续写人类探索光与物质、宇宙与未来的崭新篇章。 文章来自：电子发烧友
