百通道百萬像素高光譜實時成像器件：科技領(lǐng)域的多面手

作者董青梅 段躍初

7日，《自然》雜志發(fā)表我國科研團隊最新成果。北京理工大學(xué)張軍院士團隊自主研制出百通道百萬像素的高光譜實時成像器件，將光能利用率由典型的不足25.0%跨越提升至74.8%，提升了高光譜成像的靈敏度和準確率。研究成果有望推動衛(wèi)星遙感、深空探測、環(huán)境監(jiān)測、智慧醫(yī)療、社會治理等領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。（來源：新華社）

新型高光譜智能成像器件。新華社記者 趙旭 攝

在科技的廣袤星空中，總有一些璀璨的星光閃耀著人類智慧的光芒。今天，我要給大家講一個激動人心的科技故事，它就來自我國科研人員的卓越成就——北京理工大學(xué)張軍院士團隊自主研制出的百通道百萬像素高光譜實時成像器件。這一偉大成果登上了《自然》雜志，就像一顆重磅炸彈，在科學(xué)界掀起了巨大的波瀾。

你知道嗎？高光譜成像技術(shù)可真是個神奇的玩意兒。它就像是一把特殊的“鑰匙”，打開了一扇通往物體微觀世界的大門。以前我們熟悉的傳統(tǒng)成像技術(shù)啊，就像個“近視眼”，只能看到物體的二維空間信息，太有限啦！但高光譜成像技術(shù)可不一樣，它就像擁有了透視眼，不僅能看到物體的模樣，還能捕捉到豐富得如同寶藏般的光譜信息呢。這些光譜信息就像是物體的“身份證”，每一種物質(zhì)都有它獨特的光譜“指紋”。通過分析這些“指紋”，我們就能像偵探一樣，精確地弄清楚物體的成分和結(jié)構(gòu)啦。這個技術(shù)本來就有超級大的潛力，在衛(wèi)星遙感、環(huán)境監(jiān)測這些高大上的領(lǐng)域都有著無比廣闊的應(yīng)用前景呢?？删褪怯袀€大麻煩，之前的高光譜成像器件光能利用率低得可憐，才不到25.0%，這就像給這個技術(shù)的發(fā)展套上了沉重的枷鎖，嚴重影響了成像的質(zhì)量，特別是靈敏度和準確率，真是讓人頭疼??！

不過呢，咱們中國的科研團隊可從來不缺挑戰(zhàn)困難的勇氣！張軍院士帶領(lǐng)的團隊就像一群無畏的戰(zhàn)士，經(jīng)過無數(shù)次的實驗，那過程就像在黑暗中摸索，充滿了艱辛和挫折。他們不斷地嘗試新的理論，就像在迷宮中尋找出口一樣。有時候，可能一個小的突破就能讓他們興奮不已，但更多的時候，是長時間的毫無頭緒。但是，他們沒有放棄，終于實現(xiàn)了一個令人驚嘆的跨越——把光能利用率一下子提高到了74.8%！這可真是個了不起的成就??！這背后的艱辛，只有他們自己知道，就像只有攀登過珠峰的人，才知道那一路的風雪有多大。

這個成像器件到底有什么厲害的地方呢？那可多啦！先說它的百通道百萬像素這個特性吧。你可以想象一下，這個器件就像是一個擁有上百只超級敏銳眼睛的“怪物”，每只眼睛都盯著不同波段的光譜信息，就像在全方位地審視一個神秘的世界。這百通道同時開工，大量的數(shù)據(jù)就像潮水一樣涌來，但它可不怕，輕松就能處理。而且啊，百萬像素就保證了成像的清晰度，不管是看廣袤無垠的大地，還是觀察那些微小得幾乎看不見的細節(jié)，它都表現(xiàn)得堪稱完美，就像一個技藝高超的畫家，畫出的每一筆都精準無比。

再說說它的靈敏度和準確率。這光能利用率一提高，就像給這個器件注入了超強的能量。它捕捉微弱信號的能力簡直可以用“神奇”來形容。在那些復(fù)雜得像迷宮一樣的場景中，尋找目標物體對它來說就像小孩子玩游戲一樣輕松。比如說在衛(wèi)星遙感的時候，它能清楚地分辨出地面上不同的植被類型，那些郁郁蔥蔥的森林、綠油油的草地，在它眼里就像有著不同標簽的寶貝。還有土壤的狀況，是肥沃還是貧瘠，它都能一目了然。在神秘的深空探測中，它更是大顯身手，那些來自遙遠天體的微弱光線，在它的“眼睛”里就像清晰的線索，幫助科學(xué)家們分析外星物質(zhì)的成分，就像在解開宇宙這個超級大謎題。

這個成像器件的應(yīng)用領(lǐng)域那可真是廣泛得超乎想象，就像一棵大樹的枝葉，伸向各個方向。

在遙感探測領(lǐng)域，它就像是一個無所不能的“寶藏獵人”。在資源勘查方面，地球上那些隱藏在深山老林、茫茫大漠中的礦物質(zhì)資源，再也別想躲過它的“眼睛”。不同的礦物質(zhì)有著獨特的光譜特征，就像它們獨特的“暗號”，而這個成像器件就是那個能破解暗號的高手。它能快速又準確地找到礦藏的分布和儲量，這對于那些在偏遠地區(qū)或者人跡罕至地方進行地質(zhì)勘探和礦產(chǎn)開發(fā)的人來說，簡直就是天大的福音啊！在環(huán)境監(jiān)測這個關(guān)乎我們生存的大事上，它也發(fā)揮著不可替代的作用。大氣、水體、土壤這些環(huán)境要素都在它的監(jiān)測范圍內(nèi)。在大氣中，它能像一個敏銳的“嗅探器”，檢測出污染物的成分、濃度和分布情況，就像把空氣污染的老底都給翻出來了，這對我們治理空氣污染可太有幫助啦！在水體里，它能清楚地看到那些影響水質(zhì)的東西，像葉綠素、溶解性有機物和懸浮物，就像給水體做了一次全面的體檢，讓我們知道水生態(tài)的健康狀況，及時治理水污染。還有土壤，它能分析出土壤的成分、結(jié)構(gòu)和肥力，這對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和土地資源管理來說，就像有了一個貼心的參謀。在植被研究這塊，它也是一把好手。它能精確地獲取植被的光譜信息，就像能讀懂植被的“心思”一樣。通過這些信息，我們可以知道植被的葉綠素含量、水分含量這些生理參數(shù)，就像知道它們是健康還是生病了，生長趨勢是好是壞。而且啊，它能快速準確地識別不同的植被種類，不管是森林里各種各樣的樹木，還是草原上密密麻麻的小草，都逃不過它的“法眼”，這對森林資源調(diào)查和生態(tài)系統(tǒng)研究有著至關(guān)重要的作用。在城市規(guī)劃中，它就像一個智慧的“城市設(shè)計師”，為規(guī)劃者提供高分辨率的光譜圖像，讓他們清楚地看到城市的土地利用情況、建筑物分布和基礎(chǔ)設(shè)施狀況，這樣就能更好地規(guī)劃城市綠地、優(yōu)化建筑布局啦。

在生命健康領(lǐng)域，這個成像器件更是給我們帶來了希望的曙光。在醫(yī)療診斷方面，它就像一個超級靈敏的“疾病探測器”。你知道嗎？癌癥這種可怕的疾病，不同類型的癌細胞有著不同的光譜特征，就像它們獨特的“標記”。這個成像器件通過對人體組織的光譜分析，就像一個精準的雷達，能在癌癥還處于早期的時候就發(fā)現(xiàn)它的蹤跡，這對于癌癥的篩查和診斷來說，簡直是革命性的突破??！而且它還不只是對癌癥有用，對于心血管疾病、神經(jīng)系統(tǒng)疾病這些疑難病癥的診斷和監(jiān)測，它也能發(fā)揮重要作用呢。在生物醫(yī)學(xué)研究這個神秘又充滿挑戰(zhàn)的領(lǐng)域，它就像是一把神奇的“鑰匙”，打開了一扇又一扇新的大門。科研人員可以用它來分析細胞，就像用顯微鏡一樣，但又比顯微鏡厲害多了。通過對細胞的高光譜成像，我們可以研究細胞的代謝過程、信號傳導(dǎo)這些復(fù)雜又神秘的生理活動。在藥物研發(fā)這個漫長又艱難的道路上，它也能成為科學(xué)家們的得力助手。它可以監(jiān)測藥物在人體內(nèi)的作用效果和代謝過程，就像給藥物研發(fā)安裝了一個“導(dǎo)航儀”，讓研發(fā)過程更加順利，大大提高了研發(fā)的效率和準確性。

智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域也因為這個成像器件迎來了新的春天。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測一直是個讓人頭疼的問題，但現(xiàn)在有了它，就變得輕松多了。它能快速又準確地檢測農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量，就像一個專業(yè)的“質(zhì)檢員”。比如說水果，它能知道水果的糖度、酸度、成熟度，就像我們用嘴巴嘗一樣準確。對于蔬菜，它能檢測出營養(yǎng)成分、農(nóng)藥殘留這些重要信息，這對于農(nóng)產(chǎn)品的分級、篩選和質(zhì)量控制來說，就像有了一個可靠的標準。在農(nóng)業(yè)災(zāi)害監(jiān)測方面，它更是農(nóng)民的“守護天使”。農(nóng)作物經(jīng)常會受到病蟲害、旱災(zāi)、洪澇這些災(zāi)害的威脅，以前我們很難及時發(fā)現(xiàn)，但現(xiàn)在不一樣了。這個成像器件通過分析農(nóng)作物的光譜，就能及時發(fā)現(xiàn)病蟲害對農(nóng)作物的影響，就像一個警惕的“哨兵”，一旦發(fā)現(xiàn)問題，農(nóng)民們就可以及時采取措施，減少農(nóng)業(yè)損失啦。

在工業(yè)自動化領(lǐng)域，這個成像器件也有著出色的表現(xiàn)。在產(chǎn)品質(zhì)量檢測這個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它就像一個嚴格的“把關(guān)人”。在電子工業(yè)里，那些微小又精密的芯片、電路板，它能準確地檢測出質(zhì)量問題，保證電子產(chǎn)品的可靠性。在汽車制造中，汽車零部件的表面缺陷、材料成分這些問題也別想逃過它的“眼睛”，這讓汽車的質(zhì)量更有保障。在工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控方面，它就像一個聰明的“管家”，實時監(jiān)測和控制工業(yè)生產(chǎn)過程中的參數(shù)。比如在化工生產(chǎn)中，化學(xué)反應(yīng)過程中的物質(zhì)成分和反應(yīng)進度都在它的掌握之中，這就可以幫助優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，讓工業(yè)生產(chǎn)更加順利。

在深空探測這個充滿未知的領(lǐng)域，這個成像器件就是我們探索宇宙的“秘密武器”。宇宙那么大，那些遙遠的行星、小行星對我們來說就像神秘的寶藏。這個成像器件通過對天體的高光譜成像，能分析出天體的表面物質(zhì)成分、地質(zhì)結(jié)構(gòu)這些重要信息，就像給我們送來了宇宙的“說明書”。這對于我們了解宇宙的起源和演化有著至關(guān)重要的作用，而且在未來的深空探測任務(wù)中，它能幫助探測器更好地識別目標天體，就像給探測器裝上了一雙“慧眼”，讓我們探索宇宙的步伐更加穩(wěn)健。

在安全防護領(lǐng)域，這個成像器件也發(fā)揮著獨特的作用。在防偽檢測方面，它就像一個“火眼金睛”，不管是貨幣、證件還是藝術(shù)品這些重要的東西，只要有假冒偽劣產(chǎn)品，它都能通過分析物品的光譜特征，快速準確地把它們找出來，就像一個守護安全的衛(wèi)士，保障我們社會的安全和穩(wěn)定。在安全監(jiān)控這個關(guān)乎大眾安全的事情上，它也有著很大的潛力。在機場、車站這些人員密集的公共場所，它可以通過對人員和物品的光譜分析，及時發(fā)現(xiàn)那些潛在的安全隱患，讓我們的出行更加安全。

還有軍事領(lǐng)域，這個成像器件更是有著不可估量的價值。在目標偵察與監(jiān)測方面，它就像戰(zhàn)場上的“千里眼”?，F(xiàn)在的戰(zhàn)爭中，偽裝技術(shù)越來越厲害，敵人總是想把自己藏起來。但是，這個成像器件可不怕，它能依據(jù)不同物質(zhì)的光譜特征差異，把那些經(jīng)過偽裝的軍事目標找出來。比如說那些藏在植被或者其他復(fù)雜環(huán)境背景中的坦克、軍事設(shè)施，不管它們偽裝得多好，在這個成像器件眼里就像沒穿衣服一樣。對于海面的艦船和空中的飛機、導(dǎo)彈這些目標，它也能通過光譜差異進行探測和監(jiān)測，還能獲取目標的狀態(tài)信息，就像給我們的軍隊安上了一雙雙敏銳的眼睛，為軍事行動提供重要的情報。在戰(zhàn)場環(huán)境監(jiān)測方面，它能在軍事行動前快速獲取大面積的地形地貌信息，山脈、河流、森林這些都看得一清二楚，而且還能分辨出不同的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和土壤類型，這對于部隊的行軍、部署和工事建設(shè)來說，就像有了一個詳細的地圖。它還能實時監(jiān)測戰(zhàn)場的氣象條件，像云層、降水、霧氣這些，分析它們的高度、厚度、水汽含量等信息，這就像給軍方提供了一個天氣預(yù)報員，幫助他們選擇合適的作戰(zhàn)時機和作戰(zhàn)方式。更重要的是，它能檢測戰(zhàn)場上的化學(xué)物質(zhì)，比如爆炸物殘留、有毒氣體這些，這對于及時發(fā)現(xiàn)敵人的化學(xué)武器攻擊、評估戰(zhàn)場污染情況和保障士兵的生命安全來說，太重要了。在武器制導(dǎo)與瞄準方面，它就像給武器裝上了“智能大腦”。對于精確制導(dǎo)武器來說，它能提供更準確的目標信息，讓武器的命中精度大大提高。就像導(dǎo)彈在飛行的時候，它搭載的這個成像器件能獲取目標的光譜特征，然后和預(yù)先存儲的信息進行比對，不管戰(zhàn)場環(huán)境多么復(fù)雜，都能準確地命中目標。對于狙擊手來說，這個成像器件也是個好幫手。它能幫助狙擊手更好地識別目標、判斷距離和方位，在城市戰(zhàn)、山地戰(zhàn)這些復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境中，狙擊手可以快速找到那些隱藏在建筑物、植被后面的目標，提高狙擊的成功率。在軍事通信與情報傳輸方面，它有著獨特的“魔法”。它可以用于軍事通信中的隱蔽通信，通過對特定光譜波段的調(diào)制和解調(diào)，把信息隱藏在光譜信號中，就像給信息穿上了一件“隱身衣”，不容易被敵方的電子偵察設(shè)備發(fā)現(xiàn)，大大提高了軍事通信的安全性和保密性。在情報收集和傳輸過程中，它能快速獲取大量的圖像和光譜信息，然后通過高效的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)把這些信息及時送到指揮中心，就像給指揮中心的情報人員送去了一把把解開戰(zhàn)局之謎的鑰匙，為軍事決策提供有力的支持。在軍事裝備檢測與維護方面，它就像一個細心的“醫(yī)生”。它可以對軍事裝備的表面材質(zhì)、結(jié)構(gòu)進行高光譜成像分析，檢測裝備是否存在磨損、裂紋、腐蝕這些故障。比如說飛機、坦克這些大型裝備，它能快速發(fā)現(xiàn)裝備表面的微小損傷，這樣就能及時進行維護和修理，提高裝備的可靠性和使用壽命。它還能評估裝備的偽裝效果，看看偽裝得好不好，然后根據(jù)分析結(jié)果對偽裝方案進行優(yōu)化和改進。

這一成果的意義可真是太重大啦！它就像一座燈塔，照亮了多個領(lǐng)域前行的道路。這不僅僅是我國科研實力的體現(xiàn)，更是人類科技進步的一個里程碑。它打破了高光譜成像技術(shù)的瓶頸，為我們打開了一個全新的世界。就像張軍院士說的那樣：“我們希望這個成像器件能成為各個領(lǐng)域創(chuàng)新發(fā)展的催化劑，讓科技更好地服務(wù)人類?！逼渌麑＜乙布娂姳硎荆@一成果將引領(lǐng)科技發(fā)展的新方向，帶來更多的驚喜和突破。我們可以想象，在未來的日子里，這個成像器件就像一顆種子，在各個領(lǐng)域生根發(fā)芽，結(jié)出更多的科技之果，為人類創(chuàng)造更多的可能性，讓我們更好地認識世界、探索宇宙，向著科技的未知領(lǐng)域勇敢前行！

這個百通道百萬像素高光譜實時成像器件，就像一個神奇的魔法盒，里面裝滿了無限的可能。它是我國科研人員智慧的結(jié)晶，也是全人類的寶貴財富。我們期待著它在未來創(chuàng)造更多的奇跡，讓我們的世界變得更加美好！