門(mén)捷列夫曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“科學(xué)是從測量開(kāi)始的。”光學(xué)成像拓展了人類(lèi)的認知邊界，推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步，同時(shí)也廣泛應用于生活的方方面面。然而受到不可避免的鏡面加工誤差、系統設計缺陷與環(huán)境擾動(dòng)的限制，實(shí)際成像分辨率與信噪比往往顯著(zhù)低于完美成像系統。如何實(shí)現無(wú)像差的完美光學(xué)成像，一直是光學(xué)中最重要且懸而未決的難題之一。

記者從清華大學(xué)獲悉，近日，該校成像與智能技術(shù)實(shí)驗室提出了一種集成化的元成像芯片架構，為解決這一百年難題開(kāi)辟了一條新路徑。區別于構建完美透鏡，研究團隊另辟蹊徑，研制了一種超級傳感器，記錄成像過(guò)程而非圖像本身，通過(guò)實(shí)現對非相干復雜光場(chǎng)的超精細感知與融合，即使經(jīng)過(guò)不完美的光學(xué)透鏡與復雜的成像環(huán)境，依然能夠實(shí)現完美的三維光學(xué)成像。

該成果近日以“集成化成像芯片實(shí)現像差矯正的三維攝影”為題以長(cháng)文形式發(fā)表在《自然》期刊上。

減小光學(xué)像差是百年光學(xué)難題

光線(xiàn)經(jīng)光學(xué)系統各表面傳輸會(huì )形成多種像差，使成像產(chǎn)生模糊、變形等缺陷。光學(xué)系統設計的一項重要工作就是校正這些像差，使成像質(zhì)量達到技術(shù)要求。

傳統光學(xué)系統主要為人眼所設計，秉持“所見(jiàn)即所得”的設計理念，聚焦在光學(xué)端實(shí)現完美成像。近百年來(lái)，光學(xué)科學(xué)家與工程師不斷提出新的光學(xué)設計方法，為不同成像系統定制復雜的多級鏡面、非球面與自由曲面鏡頭，來(lái)減小像差、提升成像性能。但由于加工工藝的限制與復雜環(huán)境的擾動(dòng)，難以制造出完美的成像系統。

“例如，由于大范圍面形平整度的加工誤差，難以制造超大口徑的鏡片實(shí)現超遠距離高分辨率成像；地基天文望遠鏡，受到動(dòng)態(tài)變化的大氣湍流擾動(dòng)，實(shí)際成像分辨率遠低于光學(xué)衍射極限，限制了人類(lèi)探索宇宙的能力，往往需要花費昂貴的代價(jià)發(fā)射太空望遠鏡繞過(guò)大氣層。”研究團隊負責人、中國工程院院士、清華大學(xué)自動(dòng)化系教授戴瓊海介紹。

為解決這一難題，自適應光學(xué)技術(shù)應運而生，人們通過(guò)波前傳感器實(shí)時(shí)感知環(huán)境像差擾動(dòng)，并反饋給一面可變形的反射鏡陣列，動(dòng)態(tài)矯正對應的光學(xué)像差，以此保持完美的成像過(guò)程。基于此，人們發(fā)現了星系中心的巨大黑洞。

然而，由于像差在空間分布非均一的特性，該技術(shù)僅能實(shí)現極小視場(chǎng)的高分辨成像，難以實(shí)現大視場(chǎng)多區域的同時(shí)矯正，并且由于需要非常精細的復雜系統，往往成本十分高昂。

將所有技術(shù)集成在單個(gè)成像芯片上

近年來(lái)，數字化的高速發(fā)展催生了計算光學(xué)這一交叉學(xué)科，為先進(jìn)成像系統設計提供了新的思路。

記者從清華大學(xué)獲悉，早在2021年，該校自動(dòng)化系戴瓊海院士領(lǐng)導的成像與智能實(shí)驗技術(shù)實(shí)驗室研究團隊發(fā)表于《細胞》期刊上的成果，就首次提出了數字自適應光學(xué)的概念，為解決空間非一致的光學(xué)像差提供了新思路。

在此次最新的研究成果中，研究團隊將所有技術(shù)集成在單個(gè)成像芯片上，使之能廣泛應用于幾乎所有的成像場(chǎng)景，而不需要對現有成像系統做額外改造，并建立了波動(dòng)光學(xué)范疇下的數字自適應光學(xué)架構，通過(guò)對復雜光場(chǎng)的高維超精細感知與融合，在具備極大的靈活性的同時(shí)，又能保持前所未有的成像精度。

“這一優(yōu)勢使得在數字端對復雜光場(chǎng)的操控能夠媲美物理世界的模擬調制，就好像人們真正能夠在數字世界搬移每一條光線(xiàn)一樣，將感知與矯正的過(guò)程完全解耦開(kāi)來(lái)，從而同時(shí)實(shí)現不同區域的高性能像差矯正。”戴瓊海說(shuō)。

有望帶來(lái)成像系統的顛覆性改變

研究人員進(jìn)一步介紹，上述元芯片的數字自適應光學(xué)能力有望帶來(lái)成像系統的根本性改變。

傳統相機鏡頭的成本和尺寸都會(huì )隨著(zhù)有效像素數的增加而迅速增長(cháng)，這也是高分辨率手機成像鏡頭即使使用了非常復雜的工藝也很難變薄、高端單反鏡頭特別昂貴的原因。

戴瓊海介紹，元成像芯片從底層傳感器端為這些問(wèn)題提供了可擴展的分布式解決方案，使得我們能夠使用非常簡(jiǎn)易的光學(xué)系統實(shí)現高性能成像。

除了成像系統存在的系統像差以外，成像環(huán)境中的擾動(dòng)也會(huì )導致空間折射率的非均勻分布，從而引起復雜多變的環(huán)境像差。其中最為典型的是大氣湍流對地基天文望遠鏡的影響，從根本上限制了人類(lèi)地基的光學(xué)觀(guān)測分辨率。

數字自適應光學(xué)技術(shù)僅僅需要將傳統成像傳感器替換為元成像芯片，就能為大口徑地基天文望遠鏡提供全視場(chǎng)動(dòng)態(tài)像差矯正的能力。

此外，元成像芯片還可以同時(shí)獲取深度信息，相比傳統光場(chǎng)成像方法，其在橫向和軸向都具有更高的定位精度，為自動(dòng)駕駛與工業(yè)檢測提供了一種低成本的解決方案。

戴瓊海介紹，未來(lái)，課題組將進(jìn)一步深入研究元成像架構，建立新一代通用像感器架構，或可廣泛用于天文觀(guān)測、工業(yè)檢測、移動(dòng)終端、安防監控、醫療診斷等領(lǐng)域。

（信息來(lái)源：《光明日報》）