北理工在智能光电成像器件领域取得突破

不同物质的反射光或透射光波长不同、光谱各异，但人眼仅可接收有限特定波长的光，因此无法超脱红绿蓝“三原色”的“调色盘”。北京理工大学张军院士团队自主研制出百通道百万像素的高光谱实时成像器件，可高效率、智能化探测“三原色”之外的更多“原色”。相关成果以“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”为题，于6日在国际学术期刊《Nature》发表。

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图为北理工科研团队研发的新型高光谱智能成像器件。

探测物质的“原色”有何价值？北京理工大学教授边丽蘅说，“原色”搭载着物质的本征属性信息。例如，在两个相同的透明玻璃杯中，分别倒入等量纯净水和矿物水，仅通过肉眼通常无法辨别，而借助两者透射光的光谱差异，也就是“原色”差异，即可加以区分。由于可以探测更精细分辨率、更广范围波长，高光谱成像技术正是检测“原色”的“火眼金睛”，其利用物质“各放异彩”的特性，实现“透过现象看本质”。

高光谱成像产生的数据规模庞大，长期以来，该技术大多依赖光栅、棱镜等分立元器件组成的复杂光学系统工作，这种系统体积大、难集成，且分辨率和光能利用率不高。据介绍，科研团队创新性提出光子复用原理，建立了片上光谱复用感知架构，通过材料、电子、光学、计算机等多学科交叉，最终研制出重量仅数十克、光谱通道超百个、像素达百万级的高光谱实时成像器件，将光能利用率由典型的不足25.0%跨越提升至74.8%，提升了高光谱成像的灵敏度和准确率。

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图为北理工科研团队研发的新型高光谱智能成像器件。　

“大到遥感卫星探测装备，小到手机摄像头，都能基于这个原理开发新应用。用相应摄像头对准某个目标，就会收到目标反射出的光谱，智能系统自动比对数据库里的光谱信息，便可以标注出目标物质成分。它具有通用检测能力，一款设备既能检测水环境中是否有重金属、食品是否变质，也能检测人体血氧血糖指标是否正常等等，降低检测成本、提升检测效能。”边丽蘅说。

张军表示，该研究开辟了片上光学研究新领域，为未来智能光电子器件发展提供了新思路。研究成果有望推动卫星遥感、深空探测、环境监测、智慧医疗、社会治理等领域的创新发展。

相关链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-08109-1