研究背景
光谱学是解析物质结构与化学成分的关键工具，广泛应用于天文学、生物追踪、医学、食品安全及环境监测等多个科学领域。然而，传统光谱技术依赖于狭缝或光栅进行分光，存在光谱分辨率与光学透射率之间的固有矛盾，导致无法同时实现高灵敏度与高效率的测量。尤其是现有窄带滤波快照光谱成像仪(NFSSI)和宽带调制快照光谱成像仪(BMSSI)分别受限于极低的透射率或有限的光谱分辨率，难以满足高动态、高分辨率成像的需求。因此，发展一种兼具高透射率、高光谱分辨率与快照采集能力的新型光谱成像技术成为当务之急。
研究成果
鉴于此，清华大学电子工程系方璐教授提出名为RAFAEL的新型光谱成像技术。该技术基于可重构的铌酸
锂集成光子器件，实现了亚埃级(sub-angstrom)光谱分辨率、73.2%的总光学透射率，以及每秒88帧的快照成像能力。其在400–1000纳米波段的光谱分辨能力达0.5埃(分辨本领R = 12,000)，空间分辨率达2048×2048像素，相比现有光谱成像仪，透射率提升近一倍，光谱分辨能力提高近两个数量级。该技术不仅在材料识别、植物健康监测等领域具有广泛应用前景，还成功实现了对5600颗恒星原子吸收光谱的单次快照采集，显著提升了天文观测效率。相关研究成果以题为“Integrated lithium niobate photonics for sub-angstrom snapshot spectroscopy”发表在《nature》上。
作者介绍
方璐，清华大学电子工程系长聘教授、信息认知与智能系统研究所所长。致力于人工智能与计算光学交叉研究。发表Science 1篇、Nature 3篇、Nature Photonics等N/S子刊15篇。主持科技部2030新一代人工智能重大项目、基金委杰青项目等。曾获何梁何利基金科学与技术创新奖、中国青年科技奖、科学探索奖、北京市技术发明一等奖。成果入选2024年度中国科学十大进展，多次入选中国光学十大进展、中国半导体十大研究进展。
研究内容
1、RAFAEL的概念与广泛应用
RAFAEL采用了一种全新的通用快照光谱成像架构，通过集成异质铌酸锂与自适应计算重建，实现皮米级光谱感知。如图1a所示，该系统将由铌酸锂构成的空间随机光谱调制器与常规CMOS探测器集成，通过独立编程的高频低压电场实现对入射光场的联合空间与光谱调制。该调制器包含夹在两个分布式布拉格反射镜(DBR)之间的空间随机铌酸锂层，其像素级厚度与高度变化呈二维高斯分布，形成像素间独立的光谱编码。每个像素在宽波段内具有差异化的透射包络与窄带透射峰位移，结合铌酸锂折射率随电压变化的特性，实现多状态光谱调制。
与NFSSI和BMSSI相比，RAFAEL在保持超过70%的总透射率与每波段99.9%的峰值透射率的同时，实现了亚埃级光谱分辨率(图1b)，且无需依赖光刻工艺。这使得RAFAEL可广泛应用于食品安全、无人系统、医疗健康与天文观测等领域。如图1c所示，RAFAEL在动态成像中实现88Hz的高光谱成像，相较于商用RGB相机，其全光谱数据提供更高的目标识别灵敏度与精度。作者进一步展示RAFAEL在天文观测中的卓越表现(图1d)：采用短焦商业镜头，单次曝光700毫秒内即可捕获70°×70°大视场中超过5000颗恒星的光谱信息，包括所有原子吸收峰，光谱类型与表面温度等多维信息通过伪彩色图像直观呈现。
图1. RAFAEL 的概念和普遍应用
2、RAFAEL的结构与特性
RAFAEL由四个主要部分组成：具备空间随机光谱调制结构的可重构铌酸锂薄膜、上下表面的框架式电极、以及常规CMOS
芯片。该薄膜根据CMOS像素坐标被分割为具有随机厚度的三维掩模，在不同电压下表现出各异的光谱调制特性。图2a展示了铌酸锂在634纳米波长下折射率随电压变化的实测曲线，电压调控范围为0–30V。图2b以21×21像素区域为例，展示了各像素厚度在纳米尺度上的随机差异，以及随电压变化形成的多个独立光谱状态。
与NFSSI相比，RAFAEL在全光谱范围内保持高透射率，且每个像素均能捕获所有波段的光信号，从而维持CMOS原生空间分辨率与高信噪比(图2c)。相较于BMSSI采用的周期性光谱编码结构，RAFAEL通过空间随机结构实现更高的编码独立性与分布均匀性，满足压缩感知理论对观测矩阵的要求，从而在光谱分辨率上实现数量级提升(图2d)。其高透射率、像素级随机编码与可调性，使其在日常光照与夜间天文观测等噪声环境下仍保持稳健成像性能。
图 2.RAFAEL 的结构和性能
3、时空光谱成像与智能重建
为实现从RAFAEL采集数据中重建亚埃级光谱图像，研究团队提出了物理状态自适应智能重建平台(PSAIR)。该平台由三部分组成：掩码自编码器-解码器(MAE-decoder)、物理状态自适应模块(PSAM)与空谱累积注意力变换器(SPECAT)。如图3a所示，PSAIR将成像过程分为测量、恢复、解耦与重建四个阶段，通过多帧互补掩码与电压状态切换，增强有效光谱分辨率与运动模糊校正能力。图3b表明，未采用空间随机编码时，RAFAEL的光谱分辨率仅能达到数埃水平;引入空间随机编码后提升两个数量级;再结合铌酸锂的可重构特性，最终实现亚埃级分辨率。PSAIR在不同空间采样率下均可实现超过88帧/秒的动态高光谱成像帧率，优于基于卷积神经网络或变换器的现有重建方法(图3c)。RAFAEL在空间与光谱采样频率覆盖范围、光学透射率与峰值信噪比方面均显著优于NFSSI与BMSSI(图3d)。作者通过23弧度/秒旋转风车的动态实验验证了RAFAEL在88Hz成像下与商用光谱仪结果高度一致(图3e)。
图3. 基于物理状态自适应智能重建的时空光谱成像
4、亚埃级快照光谱的实验验证
在原子光谱实验中，RAFAEL对汞灯两条相邻发射线实现了0.46埃与0.37埃的实测分辨率(图4a)，所有发射峰精度均达皮米级(图4b)。在400–700纳米范围内的单色光测试中，RAFAEL表现出在全波段一致的高分辨率(图4c)。在真伪叶片材料识别实验中，RAFAEL在50毫秒曝光下成像亮度显著高于商用RGB与光谱成像仪，即使在后者曝光时间延长至1000毫秒时仍保持优势(图4d)。通过光谱分析，RAFAEL可准确区分颜色相近的真假叶片，其光谱与商用线扫描成像仪结果余弦相似度达99.8%。
在天文观测中，RAFAEL配合商业短焦与长焦镜头，在700毫秒曝光内分别捕获了约2000–5600颗恒星的光谱信息，最暗星等达10等。作者展示了天琴座恒星的伪彩色光谱图像，直观呈现不同光谱类型、相对亮度与空间位置(图4e)。图4f显示，RAFAEL对织女星(Vega)连续光谱与吸收线(如Hγ、Hδ等)的测量与真实天文数据高度一致，各吸收线结构相似度达99%以上，验证了其在亚埃尺度下解析原子吸收峰的能力。
图4. RAFAEL 的原子光谱、材料鉴定和天文观测实验
总结与展望
RAFAEL作为一种颠覆性的高透射率、小型化快照光谱成像技术，成功突破了现有光谱成像仪在分辨率、透射率与效率之间的限制。通过结合可重构铌酸锂集成光子学与先进计算成像方法，RAFAEL实现了可见光至近红外波段0.5埃的光谱分辨率、73.2%的总透射率与每秒超过120亿像素的数据吞吐能力。实验结果表明，RAFAEL在材料识别、植物健康监测、自动驾驶、原子光谱与天文观测等领域具有广泛应用潜力。该技术为解决高灵敏度深空光谱成像与瞬态现象捕捉提供了全新路径，有望推动从材料科学到天体物理等领域的前沿研究。RAFAEL的全新架构为未来多功能、高性能光学系统的设计开辟了新方向。
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