清华团队成功研制光谱成像芯片“玉衡”

原创 清华大学 清华大学 北京

光谱记录着光在不同波长下的强度变化，揭示了物质与光的相互作用，是解析成分、结构与特性的“光学密钥”。然而，传统光谱测量受限于分光采集与固化结构，光谱分辨率与成像通量之间长期存在固有矛盾，成为光谱成像领域久未破解的科学难题。

“玉衡”光谱成像芯片概念图

清华大学电子工程系方璐教授课题组另辟蹊径，首创了可重构计算光学成像架构，研制了高分辨光谱成像芯片“玉衡”，实现了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。该研究成果以《集成铌酸锂光子学亚埃米级快照光谱成像》（“Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy”）为题，于10月15日在线发表于《自然》（Nature）。

Nature网站论文截图

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以光为钥，破译自然的语言。方璐教授团队提出的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，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。由此研制出亚埃米级高分辨光谱成像芯片——“玉衡”，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，快照光谱成像的分辨能力（R = 12,000）提升两个数量级，突破了光谱分辨率与成像通量无法兼得的长期瓶颈。

可重构计算光学成像架构

方寸之间，解开宇宙与生命的光谱密码。“玉衡”的诞生是人工智能与物理光学、集成光子学、材料科学的交叉融合。与传统体型庞大、采集缓慢的高分辨光谱装置不同，“玉衡”芯片仅约2厘米 × 2厘米 × 0.5厘米，在400 - 1000纳米的宽光谱范围内，实现了亚埃米级光谱分辨率、千万像素级空间分辨率，并具备88 Hz的快照光谱成像能力。“玉衡”攻克了光谱成像系统的分辨率、效率与集成度难题，可广泛应用于机器智能、机载遥感、天文观测等领域。课题组在论文中进行了详细的光谱巡天实验验证，指出“玉衡”芯片具备应用于光谱巡天并大幅度提升天文观测效率的能力。凭借微型化设计，它还可搭载于卫星，有望绘制出前所未见的宇宙光谱图景。课题组正基于原理样片，加速工程化样机与系统级优化，“玉衡”将在10.4米口径加那利大型望远镜（GTC）上进行测试应用，有望为暗物质、黑洞等基础物理前沿研究提供新视野。

2025年5月方璐（右三）团队访问加那利大型望远镜

玉衡之名：以光校衡天地。《尚书·舜典》有言“在璿玑玉衡，以齐七政”，古人以“玉衡”校定日月星辰的运行秩序，而今，科学家以同名之芯校衡光的频谱与宇宙的奥秘。未来，随着高分辨光谱获取范式的持续变革，期待以“玉衡”为代表的计算光谱成像技术，以更小的体积、更高的分辨力、更广的应用边界，为材料科学、地球科学、天文科学开拓新的光谱天地。

该研究获国家自然科学基金重大科研仪器项目及科学探索奖的支持，完成单位为清华大学电子工程系与北京信息科学与技术国家研究中心，方璐教授为通讯作者，北京信息科学与技术国家研究中心姚志阳博士为第一作者。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586 - 025 - 09591 - x

原标题：《芯片“玉衡”出世！清华团队成功研发》

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