電子發燒友網報道（文 / 吳子鵬）日前，清華大學電子工程系方璐教授團隊宣布，成功研制出全球首款亞埃米級快照光譜成像芯片 “玉衡”。這一成果不僅標志著中國在智能光子技術領域取得重大突破，也為高精度成像測量打開了全新的發展通道。相關研究已在線發表于國際頂級期刊《自然》。

從理論到實踐：研發進程的突破性跨越

“我們提出可重構計算光學成像架構，將物理分光限制轉化為光子調制與重建過程。” 方璐教授在介紹研發歷程時表示，團隊突破傳統光譜成像的固有瓶頸，通過挖掘隨機干涉掩膜與鈮酸鋰材料的電光重構特性，實現了高維光譜調制與高通量解調的協同計算。

這項研究并非一蹴而就，方璐教授團隊在光譜成像和智能光子領域深耕多年。2015 年，該團隊開始探索智能光子技術，提出分布式廣度光計算架構，建立干涉 - 衍射聯合傳播模型，為后續芯片研發奠定理論基礎。2020 年，該團隊研制出國際首款大規模通用智能光計算芯片 “太極 - I”，突破傳統電子芯片算力瓶頸，在國內外引起了廣泛關注。

同時，早在三年前，方璐團隊就已開始探索計算光學成像的新路徑。在反復實驗與理論推演中，他們發現傳統分光采集與固化結構的局限性 —— 光譜分辨率與成像通量之間存在難以調和的矛盾。團隊另辟蹊徑，將物理分光限制轉化為光子調制與重建過程，最終成功研發出 “玉衡” 芯片。

“玉衡” 芯片的性能指標令人驚嘆：僅 2 厘米 ×2 厘米 ×0.5 厘米的體積，卻能在 400 至 1000 納米的寬光譜范圍內，實現亞埃米級光譜分辨率、千萬像素級空間分辨率的快照光譜成像。與傳統光譜測量技術相比，“玉衡” 實現了快照光譜成像分辨能力提升兩個數量級的突破，可實現亞埃米級光譜分辨率（<0.1 nm）。傳統光譜裝置往往體型龐大、采集緩慢，而 “玉衡” 卻能在單次快照中同步獲取全光譜與全空間信息，無需在波長維度犧牲通量，每個像素均可獲取完整光譜信息。同時，這顆芯片采用芯片級集成，兼容 CMOS 工藝，具備大規模量產潛力。

因此，該芯片不僅突破了光譜分辨率與成像通量之間的長期瓶頸，也為微型化、實時化、智能化的光譜成像系統奠定了技術基礎。

國際技術格局：中國引領全球光譜成像新方向

放眼全球，光譜成像技術長期面臨分辨率與通量的矛盾。歐美國家雖在光譜成像領域有長期積累，但受限于傳統架構，其產品往往需在高分辨率與快速成像之間做出妥協。

美國、歐洲、日本的高分辨光譜裝置通常需要數小時甚至數天才能完成一次全光譜掃描，且體積龐大、能耗高，難以實現大規模應用。而 “玉衡” 芯片的快照式成像能力，每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，將傳統光譜巡天周期從數千年縮短至十年以內。

公開消息顯示，目前美國加州理工學院、哈佛大學研發的超表面光譜芯片，僅能支持 1–5 nm 的光譜分辨率，雖同樣采用快照式設計，但集成度遠不及 “玉衡” 芯片；日本索尼、東芝等公司推出的量子點光譜傳感器，僅支持 5–10 nm 的光譜分辨率，采用的是凝視式成像方式；歐洲 IMEC、德國弗勞恩霍夫研究所研發的 MEMS 光譜成像技術，支持的光譜分辨率為 2–10 nm，且集成度較低。

相比之下，“玉衡” 在光譜分辨率和成像通量方面均實現跨越式提升，首次將亞埃米級精度引入芯片級快照成像系統，在全球處于領跑地位。

產業應用前景：從 “實驗室” 到 “市場爆發”

“玉衡” 芯片的問世，不僅是一項科研突破，更為多個產業帶來變革性機遇。

首先是天文觀測領域，“玉衡” 芯片可用于重構宇宙光譜地圖。傳統巡天項目需數千年才能完成銀河系光譜測繪，而 “玉衡” 每秒可獲取近萬顆恒星的完整光譜，將巡天周期壓縮至十年以內。其微型化設計也使其可廣泛部署于衛星、空間望遠鏡，推動宇宙大尺度結構研究、暗物質探測等前沿科學發展。

其次是機載遙感與環境監測領域，“玉衡” 具備高空間、高光譜、高時間分辨率的三重優勢，適用于大氣污染源追蹤、農作物病蟲害早期識別、水資源污染監測、地質災害預警等場景。并且，其輕量化和低功耗特性，特別適合無人機、衛星平臺搭載，推動遙感技術從 “看得見” 走向 “看得清、辨得明”。

在智能制造與機器視覺領域，“玉衡” 同樣潛力巨大。在工業檢測中，它可實現材料成分在線識別、產品缺陷光譜級檢測、高速分揀與質量控制等功能，其快照成像能力使其適用于高速生產線，為智能工廠提供 “光譜之眼”。

“玉衡” 芯片的突破，不僅是一項技術成果，更是中國高端光電子芯片產業化的關鍵節點。目前，方璐團隊正基于原理樣片，加速推進工程化樣機研發與系統級優化，并計劃在 10.4 米口徑加那利大型望遠鏡上開展測試應用。這一系列舉措表明，“玉衡” 芯片已從實驗室成果向產業化落地邁出堅實步伐。

“我們正積極向智能光芯片產業化邁進，” 方璐表示，“在多種智能系統上推進應用部署，智能光計算平臺將逐步登上 AI 算力舞臺。” 隨著 “玉衡” 芯片的逐步落地，中國智能光子技術有望在全球光譜成像領域鞏固領先地位，為我國在基礎科學研究與高端裝備制造領域提供新的增長點。

結語

這款全球首款亞埃米級光譜成像芯片，不僅以顛覆性技術打破了傳統光譜成像中分辨率與通量的固有矛盾，更標志著中國在智能光子領域從理論創新到產業落地的完整突破。當這款芯片未來部署于衛星、無人機與智能工廠，它所開啟的不僅是微型化、實時化的光譜成像新時代，更將為我國基礎科學研究突破與高端裝備制造升級提供關鍵支撐，以中國智慧續寫人類探索光與物質、宇宙與未來的嶄新篇章。