北理工團(tuán)隊(duì)開辟片上光學(xué)研究新領(lǐng)域
發(fā)布日期：2024-11-07 供稿：前沿交叉科學(xué)研究院 攝影：前沿交叉科學(xué)研究院
編輯：楊婧 審核：陳棋 閱讀次數(shù)：
北京理工大學(xué)張軍院士團(tuán)隊(duì)，首創(chuàng)片上光譜復(fù)用感知架構(gòu),，自主研制了國際首款百通道,、百萬像素高光譜實(shí)時(shí)成像器件,，光能利用率創(chuàng)造世界最高記錄。11月7日,，團(tuán)隊(duì)相關(guān)成果發(fā)表在《Nature》期刊,。文章題為“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”,。團(tuán)隊(duì)提出了片上光譜復(fù)用感知理論與技術(shù)，顛覆了傳統(tǒng)幾何分光,、窄帶測(cè)量,、物理輸出模式，實(shí)現(xiàn)了片上寬帶異化調(diào)控的高光譜成像,。團(tuán)隊(duì)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?cái)?shù)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(lǐng)先的空-時(shí)-譜分辨率（1024×1024@124fps，96通道）,，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán),。
論文第一作者為北京理工大學(xué)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(xué)為唯一完成單位,。
光譜被稱為“光基因”,，代表了光信號(hào)在不同波段的強(qiáng)度分布，表征了目標(biāo)對(duì)光的反射/透射的本征屬性,。高光譜成像技術(shù)能夠同時(shí)獲取目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)信息和數(shù)十甚至上百個(gè)波段的光譜信息,，可以精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)材質(zhì)特征,，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境精準(zhǔn)辨識(shí),，在衛(wèi)星遙感、深空探測(cè),、新質(zhì)裝備等諸多領(lǐng)域具有重大應(yīng)用,，是世界各國競(jìng)相追逐的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)。現(xiàn)有高光譜成像技術(shù)受限于幾何分光和窄帶測(cè)量的傳統(tǒng)模式,，空間,、時(shí)間、光譜分辨率互相折中,，系統(tǒng)體積大,、重量重、難集成,，嚴(yán)重制約了其在重大領(lǐng)域的發(fā)展和應(yīng)用,。
面向未來新質(zhì)新域應(yīng)用的智能化、輕量化探測(cè)需求,，張軍院士團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了片上光譜寬帶感知架構(gòu),。該架構(gòu)顛覆傳統(tǒng)分立幾何分光方法,，通過集成異化調(diào)控實(shí)現(xiàn)從復(fù)雜系統(tǒng)到集成器件的革新；顛覆傳統(tǒng)窄帶測(cè)量機(jī)理,，通過寬帶耦合測(cè)量實(shí)現(xiàn)光通量的跨越提升,；顛覆傳統(tǒng)物理測(cè)量輸出模式，通過智能計(jì)算實(shí)現(xiàn)高分辨率高光譜成像,。
片上光譜復(fù)用感知架構(gòu)及其工作原理
基于此架構(gòu),，團(tuán)隊(duì)攻克了陣列化寬帶光譜調(diào)控、高光譜智能成像器件制備,、大規(guī)模高分辨光譜重建等一系列關(guān)鍵技術(shù),，自主研制了國內(nèi)首款百通道百萬像素高光譜實(shí)時(shí)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(chuàng)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(shí)時(shí)高光譜成像與目標(biāo)精準(zhǔn)識(shí)別）的優(yōu)勢(shì)，在可見-近紅外波段實(shí)現(xiàn)高分辨光譜成像,。在400-1000nm波段范圍內(nèi),，光譜分辨率達(dá)到2.65nm，時(shí)空分辨率為2048×2048@47fps,。在400-1700nm波段范圍內(nèi),，光譜分辨率為8.53nm，時(shí)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(dòng)態(tài)范圍（68.71dB）以及熱穩(wěn)定性（-60℃-50℃）。
該器件在遙感探測(cè),、生命健康,、智慧農(nóng)業(yè)、工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域展示了廣闊的應(yīng)用前景,。在遙感探測(cè)領(lǐng)域,，團(tuán)隊(duì)使用該器件拍攝了月球表面的高清光譜視頻，在弱光環(huán)境下實(shí)現(xiàn)觀測(cè)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),，展示了該器件優(yōu)異的光能利用率和時(shí)空譜分辨率,；在生命健康領(lǐng)域，該器件實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)的血氧檢測(cè)和水質(zhì)污染分析,；在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,，該器件實(shí)現(xiàn)了高精度的葉綠素檢測(cè)、糖度檢測(cè)以及水果淤傷檢測(cè),；在工業(yè)自動(dòng)化方面,，該器件實(shí)現(xiàn)了高精度的紡織物自動(dòng)分揀,。
該工作開辟了片上光學(xué)研究新領(lǐng)域，為下一代智能傳感器發(fā)展提供了新方法,，推動(dòng)集成電路,、電子信息、計(jì)算機(jī),、物理,、材料等多學(xué)科的交叉融合發(fā)展，助力我國智能裝備變軌超越和自立自強(qiáng),。
該工作得到了國家自然科學(xué)基金委優(yōu)秀青年科學(xué)基金,、國家重大科研儀器研制專項(xiàng)、基礎(chǔ)科學(xué)中心,、面上基金等項(xiàng)目資助,。
附作者介紹：
北京理工大學(xué)黨委書記，中國工程院院士,。長(zhǎng)期從事航空通信導(dǎo)航,、智能無人系統(tǒng)、天空地一體化網(wǎng)絡(luò),、復(fù)雜環(huán)境科學(xué)探測(cè)等領(lǐng)域的研究與人才培養(yǎng),。主持研制了我國民航首個(gè)新一代空中交通服務(wù)平臺(tái)、首套星基航路運(yùn)行監(jiān)視裝備和首套民航機(jī)載飛行校驗(yàn)平臺(tái),，研究成果獲得廣泛應(yīng)用,。在國際上率先提出“空事衛(wèi)星”（AeroSAT）概念并推動(dòng)列入國家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃，牽頭推動(dòng)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入國際民航組織標(biāo)準(zhǔn)體系,。作為第一完成人獲國家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)2項(xiàng),、國家科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)1項(xiàng)，國家教學(xué)成果一等獎(jiǎng)1項(xiàng),。
邊麗蘅,，北京理工大學(xué)前沿交叉科學(xué)研究院教授,、博士生導(dǎo)師,，國家優(yōu)秀青年基金獲得者，長(zhǎng)期從事片上光學(xué)研究,，出版“十四五”國家重點(diǎn)出版物專著《計(jì)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(fā)表高水平論文50余篇，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利50余項(xiàng),，獲中國電子學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（序1/6）,、中國圖象圖形學(xué)學(xué)會(huì)技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)（序2/6）,，指導(dǎo)學(xué)生獲得中國傳感器創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國二等獎(jiǎng)、挑戰(zhàn)杯首都賽特等獎(jiǎng),。擔(dān)任《Optics Letters》專題主編,，《Light: Science & Applications》、《Light: Advanced Manufacturing》客座主編,，《光學(xué)學(xué)報(bào)（網(wǎng)絡(luò)版）》編委,。
王振，北京理工大學(xué)2021級(jí)博士生,，導(dǎo)師為邊麗蘅教授,，研究方向?yàn)槠隙嗑S計(jì)算成像。授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng),，獲中國國際大學(xué)生創(chuàng)新大賽北京賽區(qū)一等獎(jiǎng),，首都挑戰(zhàn)杯大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽特等獎(jiǎng)、全國研究生數(shù)學(xué)建模競(jìng)賽三等獎(jiǎng),，特等學(xué)業(yè)獎(jiǎng)學(xué)金等榮譽(yù),。
張宇哲，北京理工大學(xué)2021級(jí)碩士研究生,，導(dǎo)師為張軍院士,，研究方向?yàn)槠瞎庾V成像。以第一/共一作者在Nature,、Advanced Materials,、CVPR等期發(fā)表高水平論文4篇，授權(quán)發(fā)明專利2項(xiàng),，獲首都挑戰(zhàn)杯大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)特等獎(jiǎng),、北京市優(yōu)秀畢業(yè)生、國家獎(jiǎng)學(xué)金等榮譽(yù),。
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