众所周知，人眼对光线的感知是通过视网膜上的感光细胞实现的。人的视锥细胞通常有三种，分别对应不同波长的光敏感度，大体可与红色（长波）、绿色（中波）和蓝色（短波）光相对应。
基于这种生理构造，人类只能接收到特定波长范围内的可见光，这些光信息被大脑解析为由红、绿、蓝“三原色”组成的色彩，因此，人类所能看到的色彩范围是非常有限的。
然而，自然界中存在的电磁波谱远远超出人类可见光的范围，包括紫外线、红外线等不可见光。
例如，两个同样的玻璃杯中加入等量的矿物质水和纯净水，人类肉眼根本无法分辨两杯水的区别，而借助一些特殊设备（比如高光谱成像仪器），可以通过两杯水透射光的光谱差异（即物质“原色”的差异）进行分辨。
就现阶段而言，受限于几何分光和窄带测量的传统模式，高光谱成像设备往往较为笨重、体积大，并且在空间、时间、光谱分辨率等方面难以兼得，技术上的挑战限制其发展和应用。
近日，由北京理工大学张军院士、边丽蘅教授领导的研究团队开发出一种新型片上光谱复用感知架构，并自主研发出一款百通道、百万像素的高光谱实时成像器件，可智能高效探测“三原色”之外的更多“原色”，其光能利用率（接近 75%）创造了世界最高记录。
目前，这项研究成果已经以“A broadband hyperspectral image sensor with high spatio-temporal resolution”（一种高时空分辨率的宽带高光谱图像传感器）为题发表在 Nature 上。
（来源：Nature）
光谱也称“光基因”，代表光信号在不同波段的强度分布。高光谱成像技术能提供物质特征的高维时空光谱信息，可同时获取物质的空间结构信息，以及数十至上百个波段的光谱信息。
由于可以探测更精细分辨率、更广范围波长，高光谱成像技术是检测物质“原色”的一大利器。
图｜片上光谱复用感知架构及其工作原理（来源：Nature）
在这项研究中，张军、边丽蘅和团队创新提出“光谱复用”原理，并基于此构建了一种具有高空间和时间分辨率的“片上光谱复用感知架构”。
通过在图像传感器芯片上集成不同的宽带调制材料，目标光谱信息以高光吞吐量非均匀耦合到每个像素；采用智能重建算法，从每一帧中恢复多通道图像，进而实现高光谱实时成像。
基于这一架构，他们结合电子学、光学、材料学以及计算机科学等，使用光刻技术制造出一个宽带可见光-近红外（400 - 1700 nm）高光谱实时成像器件。
值得一提的是，该高光谱实时成像器件拥有 96 个波长通道，将光能利用率提高到 74.8%（典型光能利用率往往不足 25%），大幅提升高光谱成像的准确率和灵敏度。
除此之外，他们开发的这种高光谱实时成像器件拥有完全自主知识产权，重量仅为数十克，相较于传统高光谱成像系统实现数量级的缩小，可以装配在各种资源有限的平台上，也可集成在现成的光学系统之中。
图｜高光谱成像性能（来源：Nature）
研究人员在论文中指出，这项技术将高维成像的挑战从高成本制造和繁琐的系统，转变为可以通过片上压缩和敏捷计算解决的系统。
在这项研究中，他们还展示了该高光谱实时成像器件广泛应用，包括用于智慧农业的叶绿素和糖定量、用于人类健康的血氧和水质监测、用于工业自动化的纺织品分类和苹果淤伤检测，以及用于天文领域的深空探测（比如拍摄月球表面的高清光谱视频，在弱光环境下实现观测目标的动态远程监测）。
图｜在智能农业中的应用（来源：Nature）
这篇论文共同第一作者、北京理工大学助理教授边丽蘅表示，“小到智能手机摄像头，大到遥感卫星探测装备都可以基于这项技术开发新应用；此外，这项技术也具有通用检测的能力，包括检测水中的重金属，食品变质情况以及人体血氧/血糖指标等，能有效降低检测成本，提高检测效能。”
“这项研究工作开辟了片上光学研究的新领域，为下一代智能光电子器件的发展提供了新思路；这相研究成果将有望推动深空探测、卫星遥感、环境、医疗、农业等众多领域的创新发展。”论文的共同通讯作者、北京理工大学张军院士表示。
参考资料：
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08109-1
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