神奇 | 光谱拍照“火眼金睛”！从“和光同尘”到“与光共舞”！

天开创新沙龙

如何知道一滴水包含的物质？又该如何了解一片落叶中的元素？人们总在畅想，可以“明察秋毫、见微知著”，渴望看懂更本质的物体材料、看到更细微的元素构成。

基于微纳结构的“实时超光谱成像芯片”便是在这条道路上的重要突破，它像一双感知物质的火眼金睛，不但能看到颜色与形状，更能洞察其中的物质与元素，实现了对物质世界的“透视”。

2025年12月26日，第三十期天开创新沙龙暨2025年天津光电产业（人才）联盟年会在天开高教科创园津南园举行。

本期沙龙的主题是：光电技术产业化应用与高质量发展。

美国国家工程院外籍院士、光电子器件专家、清华大学教授黄翊东，是本期沙龙的主讲嘉宾之一。

黄教授的专业领域是“光电子芯片”。

芯片大家都不陌生，但是什么是光电子芯片呢？

光电子芯片是一种用光波来感知、传输和处理信息的芯片。例如传统用于光通信领域的光电子芯片，通过集成光波导、调制器、激光器等器件，直接在芯片上构建光信号路径，实现高速、低功耗的数据处理。简单来说，它就像个“光速翻译官”，把电信号和光信号互相转换，让信息跑得更快、更稳。

光电子芯片的核心特点↓

速度超快‌：光速传输，延迟极低，适合处理海量数据。

能耗超低‌：光处理功耗比电子芯片低几个数量级，更省电。

抗干扰强‌：不受电磁干扰，信号更稳定。

主要应用领域↓

通信‌：5G/6G、光互联、数据中心。

计算‌：光计算芯片在AI、科学模拟中潜力巨大。

其他领域‌：激光雷达、生物传感、量子计算等。

发展现状↓

全球超1/4国家参与光子产业链，其中中、美两国的企业占据了一半以上的市场份额，形成了中美两强的格局，光电子芯片正成为突破传统芯片算力瓶颈的前沿技术。

黄翊东教授和她的研发团队，在新一代光电子芯片研究及产业化方面实现了重要突破。

让芯片变成“火眼金睛”

当你拿起手机，对着桌上的苹果拍一张照片，咔嚓……

除了可以知道苹果的大小、颜色和形状，手机镜头上的“火眼金睛”还能实时获取苹果的光谱图像，分析出苹果甜不甜、有没有农药残留……

这神奇的一幕，就出自清华大学电子工程系黄翊东教授的研发团队。

多年来，清华大学电子工程系黄翊东教授团队，始终致力于光谱成像芯片的研发，研制出国际首款“实时超光谱成像芯片”。

不需要大型实验设备、不需要专业人员取样检测……这款体积小巧、性能高超的芯片，仅仅通过类似拍照的方式，就可以拥有洞穿一切的“火眼金睛”，实时解锁物质密码。

由黄翊东团队研发的国际首款“实时超光谱成像芯片”↓

探寻物质的指纹

因为有了光，人类眼中才有了万紫千红。千百年来，开普勒、笛卡尔、牛顿等著名科学家前赴后继，投身到光的探索中。

围绕“微纳结构光电子芯片”这件事，黄翊东团队坚持了20多年。

自从2003年回到母校清华大学任教以来，黄翊东带领团队致力于微纳光电子领域的研究，取得了一系列丰硕的研究成果。国际首款“实时超光谱成像芯片”就是其重要成果之一。大家平时看到蝴蝶翅膀之所以色彩斑斓，正是因为上面的“光子晶体”结构，而这也正是光谱成像芯片的关键研究基础。

简单来讲，光可以理解为一种电磁辐射。根据辐射频率的不同，电磁波分为无线电波、微波、红外光、可见光等，人类的眼睛可以感知红绿蓝三原色，通过大脑将三原色自动混合感知成其他颜色，但无法分辨光场的真正频率。

不同物质对不同频率的光吸收不同，反映出不同的光谱。我们眼睛看到的颜色其实是物质光谱的降维信息，仅凭人眼判断事物的信息量非常有限，而光谱成像可以带来超越人眼分辨能力的机器视觉。

以机器视觉来扩展人眼视觉，让普通人拥有“火眼金睛”的能力，这或许是国际首款实时超光谱成像芯片研发的灵感来源。

不同的物质具有不同的特征光谱，所以说光谱是物质的指纹，可以反映物质的信息，光谱作为物质感知的重要维度意义重大。然而，在实际应用中这个重要的维度并没有释放出它的巨大潜力。已有的大型单点扫描式光谱成像仪尽管发挥了一定的作用，但局限性非常突出：除了个头大、价格高外，只能单点扫描，不能获得同一时刻空间各点的光谱信息，无法跟踪移动的物体。如何实现实时光谱成像的创新突破，成为摆在黄翊东团队面前的考题。

和光同尘

这道考题看起来简单，解起来难。这种光电子芯片在物理效应、制备工艺、算法配合上都需要创新突破，技术壁垒非常高。在黄翊东看来，中国和其他国家在微纳光电子领域的研究可谓是齐头并进，在技术水平上有着数十年的积累。清华人以服务国家为己任，不但不能被“卡住脖子”，而且要通过创新走在前沿，在全球范围内创造不会被卡脖子的引领技术。

为了攻克制备工艺的壁垒，黄翊东带领团队及毕业生，一起搭建了微纳光电子芯片制备工艺平台——天津华慧芯科技。华慧芯是专业的微纳光电子芯片制造服务商，具备12吋28纳米先进制程超表面晶圆制造能力。借助华慧芯这个平台，研发团队克服了制备工艺、算法配合等难题，完成了“实时超光谱成像芯片”的初步研发。

相比过去的光谱成像设备，国际首款“实时超光谱成像芯片”有显著优势：体积小、性能高、可实时光谱成像。光谱成像芯片在0.5平方厘米面积上集成了超过200万个微型光谱仪，单点微型光谱仪从笔记本大小缩小到百微米以内，光谱分辨率高达0.5纳米，并且一次拍照就可以获得图像上200万像素的光谱；从原来只能单点扫描到实时拍摄，解决了原来不能获取目标动态光谱的难题，通过视频拍摄的实时光谱画面，分析得出背后的物质信息。

与光共舞

有了技术上的突破，还要落地成为产业。

如果说技术上的突破是“和光同尘”，那么落地成为产业，就是“与光共舞”。

“实时超光谱成像芯片”走向应用最重要的意义是提供了信息获取“全新的维度”，看透物质的“火眼金睛”，在工业自动化、智慧医疗、机器视觉、消费电子等诸多领域都有广阔应用场景。抱着“让光谱感知无处不在”的愿景，黄翊东团队致力于“让光谱把它的威力真正发挥出来”，先后孵化了北京与光科技、光函数科技等创新企业，进行“实时超光谱成像技术+X”的探索。

以实时超光谱成像技术加炼钢为例，以前在转炉中完成炼钢时，主要是凭借工人的经验和一次性的测温设备，对于上千度的炉温，这两种方式危险性和误差都很大。而采用实时超光谱成像的技术，只需要在距离转炉大约20米处拍一张照片，就可以得到一个相对准确的炉内温度，安全性更强，误差更小。

在医疗诊断领域，通过光谱相机可以准确分辨出癌组织的分布区域，实现实时术中监测，为癌组织的切除手术提供重要的边界信息。。

在未来，可能仅需拍一张照片，就可以进行血糖监测、了解皮肤状态、检测水质、了解病虫害信息……大家都可以零距离“与光共舞”，随时随地享受光谱拍照的“火眼金睛”为生产生活带来的便利。

天津成为光电产业的沃土

光电产业是光子学、电子学、信息学相融合的高新技术产业，产业链长、成长性好、发展空间大，是国际产业技术竞争的热点。

天津是中国北方重要的光电产业基地，依托于南开大学、天津大学等在光学、光电子领域的强大科研实力，以及中电科集团等国家队布局。从传统的光学仪器、激光技术，逐步扩展到光通信器件、光电传感器、新型显示等高技术领域。

天津光电产业以光通信、光存储、光显示、光传感、光成像等领域为主，是新一代信息技术的重要支撑，也是推动数字经济、智能制造、绿色发展等战略性新兴产业的关键性产业。

天津光电产业（人才）联盟于2024年10月19日成立，旨在进一步推动光电领域科技创新与产业创新深度融合，加快形成新质生产力。联盟将加强各会员单位间的交流合作，推动光电科技创新和科技成果转化为现实生产力；拓宽产业链上下游企业的衔接渠道，助力天津光电产业发展壮大；加强与全国尤其是北京光电学术和行业组织协作，促进京津科技创新协同和产业体系融合，为合力建设世界级先进制造业集群提供强劲动能。

光电产业被视为国家战略，发展空间大，科技基础好、增长速度快、和欧美发达国家的发展差距小，因此，光电产业在中国得到了长足的发展，中国光电产业的发展后劲，不容小觑。天津光电产业在专用通信设备和环境监测仪器领域具有较强竞争力，同时在新能源、储能等新兴领域也有布局。

本期天开创新沙龙上，还举行了“天津光电成果转化基地”揭牌启动建设仪式。

新建设的天津光电成果转化基地由天津光电产业（人才）联盟发起并运营，将聚焦光电子和传感器领域前沿技术进行概念验证，加速成果转化。

同时，联盟将与津南区协同建设数字化转型促进中心，使转化基地与津南区制造业企业直接对接，双向赋能光电传感器技术孵化转化和制造业企业智能转型。

天津光电产业（人才）联盟成立近两年，已集聚重点实验室、龙头企业等创新资源，并与其他生产要素搭建握手通道。联动京津冀和中关村的光电产业联盟展开合作，推动联盟企业参与跨区域的交流，共建光电产业的繁荣生态。围绕产业的关键技术瓶颈，牵头组织高校企业联合开展攻关，推动核心技术突破与产业化。

记者 | 邢耕