图 片上光谱复用感知架构及其工作原理

　　在国家自然科学基金项目（批准号：62322502、61827901、62088101、61971045）等资助下，北京理工大学张军院士团队在片上光学研究方向取得新进展，提出了片上光子复用理论与技术，自主研制了高光谱智能成像芯片与器件，实现了百通道、百万像素实时高光谱成像，性能指标国际领先。研究成果以“时空高分辨的宽带高光谱成像传感器（A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution）”为题，于2024年11月7日在线发表于《自然》（Nature）期刊上。论文链接： https://www.nature.com/articles/s41586-024-08109-1。

　　高光谱成像能够同时获取目标的空间结构信息和数十甚至上百个波段的光谱信息，精准识别目标材质特征，在卫星遥感、深空探测、新质装备等诸多领域具有重大应用，是世界各国竞相追逐的研究热点与难点。现有高光谱成像方法受限于几何分光和窄带测量的传统模式，空间、时间、光谱分辨率互相制约，系统体积大、重量重、难集成，严重限制了其在重大领域的发展和应用。

　　面向未来新域新质应用的智能化、轻量化探测需求，团队创新提出了片上光谱复用感知架构（图），颠覆了传统几何分光、窄带测量、物理输出模式，通过集成异化调控、宽带耦合测量、智能计算重建，实现了高通量、大带宽高光谱成像感知。团队自主研制出国际首款百通道百万像素高光谱实时成像器件，将光能利用率由传统的25%以下跨越提升至74.8%，创造世界最高记录。该器件具备体积小（29mm×29mm×42mm）、重量轻（46g）、智能化程度高（实时高光谱成像与目标精准识别）的优势，在可见-近红外波段实现高分辨光谱成像。在400-1000nm波段范围内，光谱分辨率达到2.65nm，时空分辨率为2048×2048@47fps。在400-1700nm波段范围内，光谱分辨率为8.53nm，时空分辨率为1024×1024@124fps。

　　该工作开辟了片上光学研究新领域，在遥感探测、生命健康、智慧农业、工业自动化等领域具有广阔的应用前景，为下一代智能传感器发展提供了新方法，推动集成电路、电子信息、计算机、物理、材料等多学科的交叉融合发展，能够有力支撑我国智能装备研制变轨超越。