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完美的光學(xué)成像是人類感知世界的最終目標(biāo)之一，但它從根本上受到鏡面處理誤差和復(fù)雜環(huán)境干擾造成的光學(xué)成像差的影響。《科學(xué)》雜志還將完美的光學(xué)透鏡列為21世紀(jì)125個(gè)前沿科學(xué)問(wèn)題之一。

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近日，清華大學(xué)成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出了一種集成元成像芯片架構(gòu)（Meta-imaging sensor），開辟了解決百年問(wèn)題的新途徑。

與構(gòu)建完美透鏡不同，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種記錄成像過(guò)程而不是圖像本身的超級(jí)傳感器，即使通過(guò)不完美的光學(xué)透鏡和復(fù)雜的成像環(huán)境，也可以實(shí)現(xiàn)完美的三維光學(xué)成像。團(tuán)隊(duì)克服了超精細(xì)光場(chǎng)感知和超精細(xì)光場(chǎng)集成兩種核心技術(shù)，突破了空間帶寬積累瓶頸的分布式感知，實(shí)現(xiàn)了自組織集成的多維多尺度高分辨重建，可以取代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中的物理模擬調(diào)節(jié)，并將其精度提高到光衍射極限。

該技術(shù)解決了長(zhǎng)期光學(xué)圖像差異的瓶頸，預(yù)計(jì)將成為下一代通用圖像傳感器架構(gòu)，并將應(yīng)用于天文觀測(cè)、生物成像、醫(yī)學(xué)診斷、移動(dòng)終端、工業(yè)檢測(cè)、安全監(jiān)控等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)主要是為人眼設(shè)計(jì)的，保持著所見即所得的設(shè)計(jì)理念近百年來(lái)，光學(xué)科學(xué)家和工程師不斷提出新的光學(xué)設(shè)計(jì)方法，為不同的成像系統(tǒng)定制復(fù)雜的多級(jí)鏡面、非球面和自由曲面鏡頭，以降低成像差異，提高成像性能。但由于加工工藝的限制和復(fù)雜環(huán)境的干擾，很難制造出完美的成像系統(tǒng)。例如，由于大范圍表面平整度的加工誤差，難以制造超大口徑鏡頭，實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)程高分辨率成像；基礎(chǔ)天文望遠(yuǎn)鏡受到動(dòng)態(tài)變化的大氣湍流干擾，實(shí)際成像分辨率遠(yuǎn)低于光衍射極限，限制了人類探索宇宙的能力，通常需要昂貴的成本來(lái)發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡繞過(guò)大氣層。

為了解決這一問(wèn)題，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。人們通過(guò)波前傳感器實(shí)時(shí)感知環(huán)境圖像干擾，并將其反饋給可變形的反射鏡陣列，動(dòng)態(tài)校正相應(yīng)的光圖像差，以保持完美的成像過(guò)程。在此基礎(chǔ)上，人們發(fā)現(xiàn)了星系中心的巨大黑洞，并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，并廣泛應(yīng)用于天文學(xué)和生命科學(xué)領(lǐng)域。但由于像差在空間分布不均勻的特點(diǎn)，該技術(shù)只能實(shí)現(xiàn)小視場(chǎng)的高分辨率成像，難以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)多區(qū)域的同時(shí)矯正，而且由于需要非常精細(xì)的復(fù)雜系統(tǒng)，成本往往非常高。

早在2021年，戴瓊海院士領(lǐng)導(dǎo)的成像與智能實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)就在《細(xì)胞》雜志上發(fā)表了工作，首次提出了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)的概念，為解決空間不一致的光學(xué)圖像差異提供了新的思路。

在最新的研究結(jié)果中，研究團(tuán)隊(duì)將所有技術(shù)集成到單個(gè)成像芯片上，以便在不進(jìn)行額外改造的情況下廣泛應(yīng)用于幾乎所有的成像場(chǎng)景，并在波動(dòng)光學(xué)范圍下建立數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)。在保持前所未有的成像精度的同時(shí)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)的高維超精細(xì)感知度，同時(shí)具有很大的靈活性。這一優(yōu)勢(shì)使得數(shù)字端對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)的控制與物理世界的模擬調(diào)制完全相當(dāng)，就像人們真正能夠在數(shù)字世界中移動(dòng)每一個(gè)光一樣，完全解耦感知和矯正過(guò)程，從而實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的高性能像差矯正。

隨著有效像素?cái)?shù)量的增加，傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭的成本和尺寸將迅速增加，這就是為什么高分辨率手機(jī)成像鏡頭即使使使用了非常復(fù)雜的過(guò)程也很難變薄，高端單反鏡頭特別昂貴。因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰�多個(gè)精密設(shè)計(jì)和加工的多級(jí)鏡頭來(lái)糾正空間不一致的光學(xué)圖像差異，而傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)一步推廣10億像素成像幾乎是一場(chǎng)災(zāi)難。元成像芯片為這些問(wèn)題提供了可擴(kuò)展的分布式解決方案，使我們能夠使用非常簡(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能成像。10億像素高分辨率成像可以通過(guò)數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)在普通單透鏡系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)，光學(xué)系統(tǒng)的成本和尺寸可以降低三個(gè)數(shù)量級(jí)以上。

除了成像系統(tǒng)的系統(tǒng)圖像差外，成像環(huán)境中的干擾也會(huì)導(dǎo)致空間折射率的不均勻分布，導(dǎo)致復(fù)雜多變的環(huán)境圖像差。最典型的是大氣湍流對(duì)基礎(chǔ)天文望遠(yuǎn)鏡的影響，SequansCommunications代理從根本上限制了人類地基的光學(xué)觀測(cè)分辨率，迫使人們以高昂的價(jià)格發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡，如價(jià)值100億美元的韋伯望遠(yuǎn)鏡。雖然硬件自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)可以緩解這一問(wèn)題并得到廣泛應(yīng)用，但其設(shè)計(jì)復(fù)雜，成本高，有效視野直徑通常小于40角秒。數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)只需用元成像芯片代替?zhèn)鹘y(tǒng)成像傳感器，為大口徑基礎(chǔ)天文望遠(yuǎn)鏡提供全視場(chǎng)動(dòng)態(tài)像差矯正能力。中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站的清華研究團(tuán)隊(duì)-NAOC 測(cè)試了80厘米口徑望遠(yuǎn)鏡，元成像芯片顯著提高了天文成像的分辨率和信噪比，將自適應(yīng)光學(xué)矯正視場(chǎng)直徑從40秒提高到1000秒。

元成像芯片還可以同時(shí)獲取深度信息，比傳統(tǒng)的光場(chǎng)成像方法具有更高的橫向和軸向定位精度，為自動(dòng)駕駛和工業(yè)檢測(cè)提供了低成本的解決方案。未來(lái)，研究小組將進(jìn)一步研究元成像架構(gòu)，充分發(fā)揮元成像在不同領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)，建立新一代通用成像架構(gòu)，提高三維感知性能，或可廣泛應(yīng)用于天文觀測(cè)、工業(yè)檢測(cè)、移動(dòng)終端、安全監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。