清华大学“玉衡”芯片：全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片的重大突破
研究背景与核心突破
2025年10月15日，清华大学电子工程系方璐教授团队在智能光子领域取得里程碑式进展，成功研制出全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片“玉衡”。这一成果于10月15日在线发表于国际顶级学术期刊《自然》，标志着我国在高精度成像测量领域的智能光子技术迈上了新台阶。
传统光谱成像的瓶颈
传统光谱测量技术长期受困于“光谱分辨率与成像通量之间的固有矛盾”。传统方法依赖物理分光（如棱镜、光栅），在追求高光谱分辨率时往往牺牲成像通量（即单位时间内获取的信息量），反之亦然。这种矛盾严重限制了光谱成像在高精度、实时性应用场景中的发展。
“玉衡”芯片的技术创新
方璐教授团队基于智能光子原理，首创了可重构计算光学成像架构，从根本上改变了传统光谱成像的范式。其核心技术突破包括：
1. 架构革新：将传统物理分光的固有限制转化为“光子调制与计算重建”的协同过程。不再依赖固定的光学元件分光，而是通过计算手段实现动态光谱调制与解调。
2. 关键材料与技术：挖掘随机干涉掩膜与铌酸锂材料的电光重构特性。铌酸锂作为一种重要的电光材料，其折射率可通过电信号快速调控，为实现高维光谱调制和实时重构提供了可能。团队通过随机干涉掩膜实现对入射光的复杂调制，并结合计算算法进行高通量解调，突破了物理分光的局限。
“玉衡”芯片的核心性能参数
“玉衡”芯片虽体积小巧（仅约2厘米×2厘米×0.5厘米），但在性能上实现了跨越式提升：
- 光谱范围：覆盖400—1000纳米的宽光谱范围，涵盖可见光至近红外波段。
- 光谱分辨率：达到亚埃米级（1埃米=0.1纳米），这是目前全球最高的光谱分辨率水平之一。
- 空间分辨率：实现千万像素级空间分辨率，确保图像细节的清晰呈现。
- 成像方式：快照式成像，即单次曝光即可同步获取目标物体的全空间信息和全光谱信息，无需逐点扫描或多次曝光。
- 分辨能力提升：快照光谱成像的分辨能力较传统方法提升两个数量级，彻底解决了分辨率与通量难以兼得的瓶颈。
广泛的应用前景
“玉衡”芯片凭借其高分辨率、高通量、微型化的特点，在多个领域展现出巨大的应用潜力：
1. 天文观测：绘制宇宙光谱图景
这是“玉衡”最具革命性的应用之一。在天文观测中，“玉衡”的快照式成像能力可实现每秒获取近万颗恒星的完整光谱。这意味着：
- 大幅缩短巡天周期：将银河系千亿颗恒星的光谱巡天周期从传统的数千年缩短至十年以内。
- 微型化卫星搭载：凭借其小巧的体积，可搭载于卫星平台，在数年内绘制出人类前所未有的“宇宙光谱图景”，为暗物质、黑洞等基础物理前沿研究提供前所未有的数据支持。
2. 机器智能：提升环境感知能力
在机器智能领域，尤其是自动驾驶、机器人视觉等方向，“玉衡”芯片可为设备提供更丰富的环境感知信息。通过同时获取物体的空间图像和光谱特征，机器能够更精准地识别材质、区分相似物体、甚至感知温度等物理属性，显著提升决策的可靠性和安全性。
3. 机载遥感：高效获取地表信息
在机载遥感应用中，“玉衡”芯片可安装在飞机或无人机上，对大面积地表进行快速扫描。其高光谱分辨率能够精确识别植被类型、土壤成分、矿产资源分布、环境污染状况等，为农业监测、地质勘探、环境保护等领域提供高精度的数据支持。
此外，“玉衡”芯片还有望在医疗诊断（如无创组织分析）、工业质检（如材料成分快速检测）等领域发挥重要作用。
团队与研究基础
方璐教授是清华大学电子工程系的领军学者，在光场智能成像理论与技术领域深耕多年。她曾于2022年获得第十七届中国青年科技奖，并在2024年带领团队研制出全球首款大规模干涉衍射异构集成芯片“太极”，该成果发表于《科学》杂志，在通用智能计算领域取得了重要突破。“玉衡”芯片是其团队在智能光子技术领域的又一重大创新，展现了持续的科研实力和前瞻性布局。
总结
“玉衡”亚埃米级快照光谱成像芯片的成功研制，不仅是清华大学在智能光子领域的重大突破，也是我国在高端芯片和精密测量技术上的重要里程碑。它通过颠覆性的可重构计算光学架构，突破了传统光谱成像的技术瓶颈，在天文观测、机器智能、遥感等多个国家战略领域展现出巨大应用价值。随着后续的产业化推进，“玉衡”有望为人类探索宇宙、理解物质世界以及推动智能社会发展提供强大的“光学密钥”。
这一成果再次彰显了我国在基础研究和前沿技术创新方面的强劲势头，也为全球高精度成像测量技术的发展贡献了中国智慧。
