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清华方璐团队研发全球首款亚埃米级快照光谱成像芯片「玉衡」,成果发表 Nature,该芯片有哪些亮点?

终究是次的
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这颗芯片刷新了我对相机的认知。

它把过去大型、昂贵、缓慢的专业光谱分析仪器,变成了一块未来可以集成到手机或无人机里的小芯片,并且性能还提升了上百倍!

「玉衡」拍摄的北斗七星和小熊星座的伪彩光谱图,非常震撼

大家先别把它想成电脑里的CPU那种计算芯片,它本质上是一种全新的相机传感器。

普通相机给每个像素点拍一张红绿蓝三色的照片,而「玉衡」是给每个像素点拍一张包含了一万多种颜色细节的彩虹照片。它能在一瞬间给上千万个像素点都拍出这样的彩虹照,还能录成视频。这个能力在以前是做不到的。


在以前拍照片时,下面三件事很难同时做到最好:

1. 空间看得清:也就是照片分辨率高,画面清晰。
2. 颜色分得准:能分辨出非常细微的颜色差异,也就是光谱分辨率高。
3. 拍得还要快:能捕捉动态瞬间,能拍视频。

以前的设备,总是要在这三者之间做取舍。

而「玉衡」芯片直接把这三个优点整合到了一起。

它的核心技术是在普通相机传感器上,覆盖了一层特制的铌酸锂晶体薄膜。这层薄膜并不平整,而是有着微观上随机的凹凸。当光线穿过它时,不同颜色的光会被以一种独特的方式调制,每个像素点都接收到了一份被专属加密过的光谱信息。这就好像给每个像素都定制了一副独一无二的眼镜。

相邻几个像素点的光谱透射曲线,曲线形状各不相同,非常直观地表现了光谱指纹的独特性


拍下来的图像其实是乱码,人眼看不懂。这时候就需要AI算法登场了。一个强大的重建算法会根据预先校准好的每个像素的加密规则,把这些杂乱的信号瞬间解密,还原成我们需要的清晰高光谱图像。硬件负责编码,软件负责解码。


总结一下,「玉衡」的亮点有这么几个:

  1. 光谱分辨率极高:达到了亚埃米级,比现有的快照式光谱仪强了两个数量级。这意味着它可以看清原子光谱的特征线,这在天文学和材料分析中非常重要。
  2. 空间分辨率:它直接使用了千万像素级的传感器,并且不因为要获取光谱信息而牺牲画面的清晰度。
  3. 光能利用率超高:它的光学透过率达到了70%,非常惊人。这意味着在非常暗的光线下它也能工作,比如观测遥远的星星。
  4. 速度快:能够以每秒88帧的速度拍摄高光谱视频,可以用来分析动态变化的场景。


为了让大家更直观地感受它有多强,我从文件里找到了一个对比表格:

性能全面领先于现有所有光谱成像方案:同时实现高光谱分辨率、高成像速率和高透射率,兼具精度与效率。


所以,这颗芯片的意义非常大。它把过去大型、昂贵、缓慢的专业光谱分析仪器,变成了一块可以集成到手机或无人机里的小芯片,并且性能还提升了上百倍。

从天文观测、精准农业到到日常健康与环境监测,很多领域都可能因此迎来新的突破。


资料来源(论文已被Nature主刊收录,价值极高):

60多页的补充资料:static-content.springer.com
演示视频:static-content.springer.com
数据:doi.org/10.5281/zenodo.

信息来源于 官方网站
小胡小胡
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