Он видит свет по-новому: чип Yuheng обещает заменить громоздкие спектрометры

Учёные из Университета Цинхуа разработали оптический чип, который способен анализировать свет в реальном времени с точностью, ранее доступной только крупным лабораторным спектрометрам. Разработка получила название Yuheng (или Rafael) и, по словам исследователей, может изменить подход к визуальной аналитике — от астрономии и робототехники до медицинской диагностики.

Прорыв, который меняет баланс между размером и точностью

Традиционные оптические приборы для спектрального анализа работают по простому принципу: разделяют свет на составляющие цвета (длины волн) и измеряют интенсивность каждой из них. Проблема в том, что чем выше желаемое разрешение, тем больше света теряется и тем массивнее становится устройство.

Команда под руководством профессора Фан Лэй решила эту дилемму при помощи вычислительной оптики - области, где физические оптические элементы дополняются алгоритмами машинного зрения и искусственного интеллекта.

"Мы хотели показать, что высокое разрешение не требует громоздкости. Его можно достичь за счёт вычислений", — отметила профессор Фан.

Как работает чип Yuheng

Вместо того чтобы разлагать свет на спектр, Yuheng пропускает весь поток сразу. Внутри чипа создаётся уникальный случайный интерференционный узор, который кодирует цветовую информацию. Далее подключённый алгоритм декодирует эти сигналы и мгновенно восстанавливает спектр с высочайшей точностью.

Ключевой элемент системы — кристалл ниобата лития, изменяющий преломление света под воздействием напряжения. Это позволяет динамически управлять оптическими свойствами и получать детализированные спектральные данные без физического разделения луча.

По точности Yuheng превосходит существующие портативные спектрометры примерно в 100 раз, оставаясь при этом миниатюрным и энергоэффективным.

Астрономия нового поколения

Исследователи уже готовят тестирование чипа Yuheng на крупнейшем в мире оптическом телескопе — Gran Telescopio Canarias (ГТК), расположенном на Канарских островах. С диаметром зеркала 10,4 метра этот телескоп используется для изучения галактик, звёзд, тёмной материи и чёрных дыр.

Если испытания пройдут успешно, Yuheng сможет записывать цветовые сигнатуры около 10 000 звёзд в секунду, что сократит время, необходимое для картографирования Млечного Пути, с тысячелетий до менее чем десяти лет.

"Это шаг к эпохе визуального интеллекта, где каждое устройство сможет видеть и понимать мир с научной точностью", — отметили авторы проекта.

Применения за пределами астрономии

Технология Yuheng открывает новые перспективы и в других сферах:

• Медицина - точное спектральное сканирование тканей и клеток без громоздких томографов.
• Робототехника и дроны - улучшенное восприятие цвета и структуры поверхности.
• Охрана окружающей среды - быстрый анализ воды, воздуха и почв по спектральным характеристикам.
• Промышленность - контроль качества материалов в реальном времени.

Благодаря компактности чип можно будет интегрировать в мобильные устройства, камеры, микроскопы и научные спутники.

Почему это важно

Оптический чип Yuheng устраняет классический компромисс между разрешением и эффективностью. Раньше инженеры вынуждены были выбирать: либо высокое качество анализа, либо компактность и скорость. Теперь этот барьер устранён.

Ошибка → Последствие → Альтернатива

• Ошибка: использовать громоздкие спектрометры в мобильных системах → Последствие: большие энергозатраты и потеря данных → Альтернатива: переход на вычислительные оптические чипы вроде Yuheng.

• Ошибка: игнорировать алгоритмическую составляющую → Последствие: потеря точности при миниатюризации → Альтернатива: совмещение аппаратного и вычислительного подходов.

А что если Yuheng станет массовым?

Если технология будет масштабирована, появятся дроны, способные "видеть” химический состав облаков, камеры, распознающие материалы по отражению света, и телескопы нового поколения, которые смогут анализировать миллионы звёзд без потери скорости.

Это станет шагом к "зрячим” машинам - системам, способным не просто фиксировать изображение, но и понимать его физическую структуру.

Плюсы и минусы Yuheng

FAQ

Когда пройдут испытания чипа?
Тестирование на телескопе Gran Telescopio Canarias запланировано на ближайший год после завершения инженерной версии.

Можно ли применять технологию в смартфонах?
Пока нет, но команда рассматривает миниатюризацию сенсора для мобильных камер.

Как чип справляется с большими потоками света?
Благодаря высокому пропусканию (73%) и алгоритмам реконструкции, Yuheng сохраняет баланс яркости и точности.

Почему он называется Yuheng?
Название связано с одним из созвездий Большой Медведицы и символизирует навигацию по звёздам.

Кто финансирует проект?
Исследование поддержано Министерством науки и технологий Китая и Национальным фондом естественных наук.

Мифы и правда

• Миф: это просто мини-спектрометр.
Правда: Yuheng использует вычислительную оптику и ИИ для реконструкции света, что делает его принципиально новым классом приборов.

• Миф: чип создан исключительно для телескопов.
Правда: разработчики уже адаптируют его для медицины и автономных систем.

• Миф: высокая точность невозможна без потери яркости.
Правда: Yuheng демонстрирует обратное — 73% света проходит без потерь.

3 интересных факта

1. Название Rafael — отсылка к архангелу Рафаилу, покровителю исцеления и света.

2. Использование ниобата лития делает чип устойчивым к экстремальным температурам — от -100°C до +200°C.

3. Исследователи уже запатентовали технологию как "оптический процессор света".

Исторический контекст

В XX веке путь к высоким спектральным разрешениям требовал всё более массивных установок — от метровых призменных систем до гигантских дифракционных решёток. В XXI веке направление сменилось: теперь разрешение достигается вычислением, а не физикой линз. Yuheng стал символом этой новой эпохи, где оптика и алгоритмы действуют как единый организм.