門捷列夫曾經(jīng)說過：“科學(xué)是從測量開始的。”光學(xué)成像拓展了人類的認(rèn)知邊界，推動了科學(xué)的進(jìn)步，同時也廣泛應(yīng)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(tǒng)設(shè)計缺陷與環(huán)境擾動的限制，實際成像分辨率與信噪比往往顯著低于完美成像系統(tǒng)。如何實現(xiàn)無像差的完美光學(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)實驗室提出了一種集成化的元成像芯片架構(gòu)，為解決這一百年難題開辟了一條新路徑。區(qū)別于構(gòu)建完美透鏡，研究團(tuán)隊另辟蹊徑，研制了一種超級傳感器，記錄成像過程而非圖像本身，通過實現(xiàn)對非相干復(fù)雜光場的超精細(xì)感知與融合，即使經(jīng)過不完美的光學(xué)透鏡與復(fù)雜的成像環(huán)境，依然能夠?qū)崿F(xiàn)完美的三維光學(xué)成像。

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

　　　減小光學(xué)像差是百年光學(xué)難題

　　光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各表面?zhèn)鬏敃纬啥喾N像差，使成像產(chǎn)生模糊、變形等缺陷。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計的一項重要工作就是校正這些像差，使成像質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。

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

　　“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現(xiàn)超遠(yuǎn)距離高分辨率成像；地基天文望遠(yuǎn)鏡，受到動態(tài)變化的大氣湍流擾動，實際成像分辨率遠(yuǎn)低于光學(xué)衍射極限，限制了人類探索宇宙的能力，往往需要花費昂貴的代價發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡繞過大氣層。”研究團(tuán)隊負(fù)責(zé)人、中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系教授戴瓊海介紹。

　　為解決這一難題，自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)運而生，人們通過波前傳感器實時感知環(huán)境像差擾動，并反饋給一面可變形的反射鏡陣列，動態(tài)矯正對應(yīng)的光學(xué)像差，以此保持完美的成像過程。基于此，人們發(fā)現(xiàn)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)僅能實現(xiàn)極小視場的高分辨成像，難以實現(xiàn)大視場多區(qū)域的同時矯正，并且由于需要非常精細(xì)的復(fù)雜系統(tǒng)，往往成本十分高昂。

　　　將所有技術(shù)集成在單個成像芯片上

　　近年來，數(shù)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(tǒng)設(shè)計提供了新的思路。

　　記者從清華大學(xué)獲悉，早在2021年，該校自動化系戴瓊海院士領(lǐng)導(dǎo)的成像與智能實驗技術(shù)實驗室研究團(tuán)隊發(fā)表于《細(xì)胞》期刊上的成果，就首次提出了數(shù)字自適應(yīng)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(tuán)隊將所有技術(shù)集成在單個成像芯片上，使之能廣泛應(yīng)用于幾乎所有的成像場景，而不需要對現(xiàn)有成像系統(tǒng)做額外改造，并建立了波動光學(xué)范疇下的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，通過對復(fù)雜光場的高維超精細(xì)感知與融合，在具備極大的靈活性的同時，又能保持前所未有的成像精度。

　　“這一優(yōu)勢使得在數(shù)字端對復(fù)雜光場的操控能夠媲美物理世界的模擬調(diào)制，就好像人們真正能夠在數(shù)字世界搬移每一條光線一樣，將感知與矯正的過程完全解耦開來，從而同時實現(xiàn)不同區(qū)域的高性能像差矯正。”戴瓊海說。

　　　有望帶來成像系統(tǒng)的顛覆性改變

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

　　傳統(tǒng)相機鏡頭的成本和尺寸都會隨著有效像素數(shù)的增加而迅速增長，這也是高分辨率手機成像鏡頭即使使用了非常復(fù)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題提供了可擴(kuò)展的分布式解決方案，使得我們能夠使用非常簡易的光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)高性能成像。

　　除了成像系統(tǒng)存在的系統(tǒng)像差以外，成像環(huán)境中的擾動也會導(dǎo)致空間折射率的非均勻分布，從而引起復(fù)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(yuǎn)鏡的影響，從根本上限制了人類地基的光學(xué)觀測分辨率。

　　數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)僅僅需要將傳統(tǒng)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(yuǎn)鏡提供全視場動態(tài)像差矯正的能力。

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

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