光能利用率達75%，北理工團隊開發首個百通道、百萬像素“高光譜成像器件”

眾所周知，人眼對光線的感知是通過視網膜上的感光細胞實現的。人的視錐細胞通常有三種，分別對應不同波長的光敏感度，大體可與紅色（長波）、綠色（中波）和藍色（短波）光相對應。

基于這種生理構造，人類只能接收到特定波長范圍內的可見光，這些光信息被大腦解析為由紅、綠、藍“三原色”組成的色彩，因此，人類所能看到的色彩范圍是非常有限的。

然而，自然界中存在的電磁波譜遠遠超出人類可見光的范圍，包括紫外線、紅外線等不可見光。

例如，兩個同樣的玻璃杯中加入等量的礦物質水和純凈水，人類肉眼根本無法分辨兩杯水的區別，而借助一些特殊設備（比如高光譜成像儀器），可以通過兩杯水透射光的光譜差異（即物質“原色”的差異）進行分辨。

就現階段而言，受限于幾何分光和窄帶測量的傳統模式，高光譜成像設備往往較為笨重、體積大，并且在空間、時間、光譜分辨率等方面難以兼得，技術上的挑戰限制其發展和應用。

近日，由北京理工大學張軍院士、邊麗蘅教授領導的研究團隊開發出一種新型片上光譜復用感知架構，并自主研發出一款百通道、百萬像素的高光譜實時成像器件，可智能高效探測“三原色”之外的更多“原色”，其光能利用率（接近 75%）創造了世界最高記錄。

目前，這項研究成果已經以“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”（一種高時空分辨率的寬帶高光譜圖像傳感器）為題發表在 Nature 上。

（來源：Nature）

光譜也稱“光基因”，代表光信號在不同波段的強度分布。高光譜成像技術能提供物質特征的高維時空光譜信息，可同時獲取物質的空間結構信息，以及數十至上百個波段的光譜信息。

由于可以探測更精細分辨率、更廣范圍波長，高光譜成像技術是檢測物質“原色”的一大利器。

圖｜片上光譜復用感知架構及其工作原理（來源：Nature）

在這項研究中，張軍、邊麗蘅和團隊創新提出“光譜復用”原理，并基于此構建了一種具有高空間和時間分辨率的“片上光譜復用感知架構”。

通過在圖像傳感器芯片上集成不同的寬帶調制材料，目標光譜信息以高光吞吐量非均勻耦合到每個像素；采用智能重建算法，從每一幀中恢復多通道圖像，進而實現高光譜實時成像。

基于這一架構，他們結合電子學、光學、材料學以及計算機科學等，使用光刻技術制造出一個寬帶可見光-近紅外（400 - 1700 nm）高光譜實時成像器件。

值得一提的是，該高光譜實時成像器件擁有 96 個波長通道，將光能利用率提高到 74.8%（典型光能利用率往往不足 25%），大幅提升高光譜成像的準確率和靈敏度。

除此之外，他們開發的這種高光譜實時成像器件擁有完全自主知識產權，重量僅為數十克，相較于傳統高光譜成像系統實現數量級的縮小，可以裝配在各種資源有限的平臺上，也可集成在現成的光學系統之中。

圖｜高光譜成像性能（來源：Nature）

研究人員在論文中指出，這項技術將高維成像的挑戰從高成本制造和繁瑣的系統，轉變為可以通過片上壓縮和敏捷計算解決的系統。

在這項研究中，他們還展示了該高光譜實時成像器件廣泛應用，包括用于智慧農業的葉綠素和糖定量、用于人類健康的血氧和水質監測、用于工業自動化的紡織品分類和蘋果淤傷檢測，以及用于天文領域的深空探測（比如拍攝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）。

圖｜在智能農業中的應用（來源：Nature）

這篇論文共同第一作者、北京理工大學助理教授邊麗蘅表示，“小到智能手機攝像頭，大到遙感衛星探測裝備都可以基于這項技術開發新應用；此外，這項技術也具有通用檢測的能力，包括檢測水中的重金屬，食品變質情況以及人體血氧/血糖指標等，能有效降低檢測成本，提高檢測效能。”

“這項研究工作開辟了片上光學研究的新領域，為下一代智能光電子器件的發展提供了新思路；這相研究成果將有望推動深空探測、衛星遙感、環境、醫療、農業等眾多領域的創新發展。”論文的共同通訊作者、北京理工大學張軍院士表示。

參考資料：

https://doi.org/10.1038/s41586-024-08109-1