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11月(yue)7日，北(bei)京理(li)工大學(xue)張軍院士(shi)(shi)(shi)團隊(dui)首創片上光(guang)譜(pu)(pu)復用(yong)感知架構(gou)，自主研制了國際首款百(bai)通道百(bai)萬像(xiang)素、高光(guang)譜(pu)(pu)實時成(cheng)像(xiang)器件，光(guang)能利用(yong)率創造世界最(zui)高記錄。團隊(dui)相關成(cheng)果發表在Nature，文章(zhang)題為“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”。論(lun)文第一作者為北(bei)京理(li)工大學(xue)邊(bian)麗(li)蘅教授、博士(shi)(shi)(shi)研究(jiu)生王振、碩士(shi)(shi)(shi)研究(jiu)生張宇(yu)哲，通訊(xun)作者為張軍院士(shi)(shi)(shi)和邊(bian)麗(li)蘅教授，北(bei)京理(li)工大學(xue)為唯一完(wan)成(cheng)單(dan)位。
團隊提出(chu)了(le)片(pian)上光(guang)譜復用感知理論與技術(shu)，顛覆(fu)了(le)傳統幾何分光(guang)、窄帶(dai)測量、物理輸(shu)出(chu)模式，實(shi)現了(le)片(pian)上寬帶(dai)異化(hua)調控的(de)高光(guang)譜成像。團隊自(zi)主研制了(le)高光(guang)譜智(zhi)能成像器件(jian)，將光(guang)能利用率由典型的(de)不足25%跨(kua)越提升至(zhi)74.8%。該器件(jian)僅重數十克，工作(zuo)波(bo)段覆(fu)蓋了(le)可見光(guang)和近紅外超寬波(bo)段(400-1700nm)，具有(you)國際領先的(de)空-時-譜分辨率(1024×1024@124fps，96通(tong)道)，擁有(you)完全自(zi)主知識產權。
光譜(pu)被稱為“光基因”，代表(biao)了(le)光信號在不同(tong)波段(duan)(duan)的(de)強度(du)分布，表(biao)征(zheng)(zheng)了(le)目標對(dui)光的(de)反射(she)/透射(she)的(de)本征(zheng)(zheng)屬性。高光譜(pu)成像(xiang)技(ji)術(shu)能夠(gou)同(tong)時獲取目標的(de)空(kong)間(jian)結構信息和數十(shi)甚至上百(bai)個波段(duan)(duan)的(de)光譜(pu)信息，可以(yi)精準(zhun)識(shi)別目標材質(zhi)特征(zheng)(zheng)，從而實現復雜環(huan)境(jing)精準(zhun)辨識(shi)，在衛星(xing)遙感(gan)、深空(kong)探測、新質(zhi)裝(zhuang)備(bei)等諸多領(ling)(ling)域具有重(zhong)(zhong)(zhong)大(da)應用，是世(shi)界(jie)各(ge)國競相追逐(zhu)的(de)研(yan)究熱點與難點。現有高光譜(pu)成像(xiang)技(ji)術(shu)受限(xian)于幾何分光和窄帶測量(liang)的(de)傳統(tong)模式，空(kong)間(jian)、時間(jian)、光譜(pu)分辨率互相折(zhe)中，系統(tong)體(ti)積(ji)大(da)、重(zhong)(zhong)(zhong)量(liang)重(zhong)(zhong)(zhong)、難集成，嚴重(zhong)(zhong)(zhong)制約了(le)其在重(zhong)(zhong)(zhong)大(da)領(ling)(ling)域的(de)發展和應用。
面向未來新(xin)質新(xin)域(yu)應(ying)用的智能化(hua)、輕量(liang)化(hua)探測(ce)需求，張(zhang)軍院(yuan)士團隊創新(xin)提出了片上光(guang)譜寬帶(dai)感知(zhi)架構。該架構顛(dian)覆(fu)傳統(tong)分立幾何分光(guang)方法，通過集成異化(hua)調控實(shi)現(xian)(xian)從復雜系統(tong)到集成器件的革新(xin)；顛(dian)覆(fu)傳統(tong)窄帶(dai)測(ce)量(liang)機理，通過寬帶(dai)耦合測(ce)量(liang)實(shi)現(xian)(xian)光(guang)通量(liang)的跨越(yue)提升；顛(dian)覆(fu)傳統(tong)物理測(ce)量(liang)輸出模式，通過智能計算實(shi)現(xian)(xian)高分辨率高光(guang)譜成像。
片上光(guang)譜(pu)復用感知架(jia)構及(ji)其工作原理(li)
基(ji)于此架構，團(tuan)隊(dui)攻克了陣(zhen)列(lie)化(hua)寬(kuan)帶光(guang)(guang)譜(pu)調控、高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)智能(neng)成(cheng)像(xiang)器件(jian)制備(bei)、大規模(mo)高(gao)分(fen)辨(bian)光(guang)(guang)譜(pu)重建(jian)等一系列(lie)關鍵技術，自主研制了國內首(shou)款(kuan)百通道百萬像(xiang)素(su)高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)實(shi)時(shi)成(cheng)像(xiang)器件(jian)，將光(guang)(guang)能(neng)利(li)用率由典型(xing)的(de)不(bu)足25%跨越提升至(zhi)74.8%，創造世界最高(gao)記錄。該(gai)器件(jian)具備(bei)體(ti)積小(29mm×29mm×42mm)、重量(liang)輕(46g)、智能(neng)化(hua)程度高(gao)(實(shi)時(shi)高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)與目(mu)標精準識別(bie))的(de)優勢，在可見-近(jin)紅外波段(duan)實(shi)現高(gao)分(fen)辨(bian)光(guang)(guang)譜(pu)成(cheng)像(xiang)。在400-1000nm波段(duan)范圍(wei)內，光(guang)(guang)譜(pu)分(fen)辨(bian)率達到2.65nm，時(shi)空分(fen)辨(bian)率為(wei)2048×2048@47fps。在400-1700nm波段(duan)范圍(wei)內，光(guang)(guang)譜(pu)分(fen)辨(bian)率為(wei)8.53nm，時(shi)空分(fen)辨(bian)率為(wei)1024×1024@124fps。該(gai)器件(jian)還擁有較高(gao)的(de)成(cheng)像(xiang)信噪比(40.2dB)、動(dong)態范圍(wei)(68.71dB)以及熱穩定性(-60℃-50℃)。
該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)在(zai)遙感探(tan)測、生(sheng)命健康(kang)、智(zhi)慧(hui)農(nong)業(ye)(ye)、工業(ye)(ye)自(zi)(zi)動化(hua)等領(ling)域(yu)展示(shi)了(le)(le)廣闊的(de)(de)應(ying)用(yong)(yong)前景。在(zai)遙感探(tan)測領(ling)域(yu)，團隊(dui)使用(yong)(yong)該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)拍攝了(le)(le)月(yue)球表面的(de)(de)高(gao)清光譜(pu)視頻(pin)，在(zai)弱光環境下實(shi)現觀測目標的(de)(de)動態遠程監(jian)測，展示(shi)了(le)(le)該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)優(you)異的(de)(de)光能(neng)利用(yong)(yong)率(lv)和(he)時(shi)空(kong)譜(pu)分辨率(lv)；在(zai)生(sheng)命健康(kang)領(ling)域(yu)，該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)實(shi)現了(le)(le)動態的(de)(de)血氧(yang)檢(jian)(jian)(jian)測和(he)水質污染分析；在(zai)智(zhi)慧(hui)農(nong)業(ye)(ye)領(ling)域(yu)，該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)實(shi)現了(le)(le)高(gao)精(jing)度(du)的(de)(de)葉(xie)綠(lv)素檢(jian)(jian)(jian)測、糖度(du)檢(jian)(jian)(jian)測以(yi)及水果(guo)淤傷檢(jian)(jian)(jian)測；在(zai)工業(ye)(ye)自(zi)(zi)動化(hua)方面，該(gai)器(qi)(qi)件(jian)(jian)實(shi)現了(le)(le)高(gao)精(jing)度(du)的(de)(de)紡織物自(zi)(zi)動分揀。
該工(gong)作開辟了片上光學(xue)研究新領域(yu)，為下一代智能(neng)傳感器(qi)發展(zhan)(zhan)提供了新方法(fa)，推動集成電路、電子信息(xi)、計(ji)算機、物理、材料等多學(xue)科(ke)(ke)的交叉(cha)融(rong)合發展(zhan)(zhan)，助力我國(guo)智能(neng)裝備變(bian)軌(gui)超越和自立自強。該工(gong)作得到了國(guo)家(jia)自然(ran)科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金(jin)委(wei)優秀青(qing)年科(ke)(ke)學(xue)基(ji)金(jin)、國(guo)家(jia)重大科(ke)(ke)研儀器(qi)研制(zhi)專項、基(ji)礎科(ke)(ke)學(xue)中心(xin)、面上基(ji)金(jin)等項目資助。
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