突破光学像差难题清华大学成功研制元成像芯片

门捷列夫曾说:科学始于测量光学成像拓展了人类的认知边界，推动了科学的进步，也广泛应用于生活的方方面面可是，由于不可避免的镜面加工误差，系统设计缺陷和环境干扰，实际成像分辨率和信噪比往往明显低于完美的成像系统如何实现完美的无像差光学成像一直是光学领域最重要且尚未解决的问题之一

据清华大学记者了解，最近几天，我校成像与智能技术实验室提出了集成元成像芯片架构，为解决这一百年难题开辟了新的路径与超级透镜的构建不同，研究团队开发了一种超级传感器，它记录的是成像过程，而不是图像本身通过实现对非相干复杂光场的超精细感知和融合，即使通过不完美的光学镜头和复杂的成像环境，仍然可以实现完美的三维光学成像

最近几天，这项成果以长文的形式发表在《自然》杂志上，题目是《集成成像芯片像差校正的三维摄影》。

降低光学像差是一个百年光学难题。

光通过光学系统的各个面时会形成各种像差，导致成像模糊，畸变等缺陷光学系统设计的一个重要任务就是校正这些像差，使成像质量满足技术要求

传统光学系统主要靠人眼设计，秉承所见即所得的设计理念，专注于光学端，实现完美成像在过去的一个世纪里，光学科学家和工程师不断提出新的光学设计方法，为不同的成像系统定制复杂的多级反射镜，非球面和自由曲面透镜，以减少像差，提高成像性能可是，由于加工技术的限制和复杂环境的干扰，很难制造出完美的成像系统

比如，由于大范围表面平面度的加工误差，很难制造超大光圈镜头实现超长距离高分辨率成像，地基天文望远镜受到动态大气湍流的干扰，实际成像分辨率远低于光学衍射极限，限制了人类探索宇宙的能力往往需要以昂贵的价格发射太空望远镜才能绕过大气层研究团队负责人，中国工程院院士，清华大学自动化系教授戴琼海介绍

为了解决这个问题，自适应光学技术应运而生人们可以通过波前传感器实时感知环境像差扰动，并反馈给一个变形镜阵列，动态校正相应的光学像差，从而保持完美的成像过程基于此，人们在星系中心发现了一个巨大的黑洞

但由于像差的空间分布不均匀，这种技术只能在很小的视场范围内实现高分辨率成像，很难在很多区域实现大视场的同时校正此外，它往往成本很高，因为它需要一个非常复杂的系统

所有技术都集成在一个成像芯片上。

最近几年来，数字化的快速发展催生了计算光学，为先进成像系统的设计提供了新的思路。

记者清华大学了解到，早在2021年，该校自动化系戴琼海院士领导的成像与智能实验技术实验室研究团队在《细胞》杂志上发表了该成果，首次提出了数字自适应光学的概念，为解决空间非均匀光学像差提供了新思路。

在这项最新研究成果中，研究团队将所有技术集成在一个成像芯片上，可以广泛应用于几乎所有成像场景，无需对现有成像系统进行任何额外修改，建立了波动光学范畴下的数字自适应光学架构通过对复杂光场的高维超精细感知和融合，在保持前所未有成像精度的同时，具有极大的灵活性

这一优势使得数字端对复杂光场的操控堪比物理世界中的模拟调制，就像人在数字世界中真的可以移动每一条光线一样，将感知和矫正的过程完全解耦，从而同时实现不同区域的高性能像差矫正戴琼海说

有望给成像系统带来颠覆性的改变。

研究人员进一步介绍，上述微芯片的数字自适应光学能力有望给成像系统带来根本性的变化。

传统相机镜头的成本和尺寸会伴随着有效像素的增加而迅速增加，这也是高分辨率手机成像镜头即使采用非常复杂的工艺也很难变薄的原因，高端单反镜头尤其昂贵。

戴琼海介绍，元成像芯片从底层传感器端为这些问题提供了可扩展的分布式解决方案，使我们能够用非常简单的光学系统实现高性能成像。

除了成像系统的系统像差外，成像环境中的扰动也会导致空间折射率的不均匀分布，从而引起复杂多变的环境像差最典型的就是大气湍流对地基天文望远镜的影响，从根本上限制了人类地面的光学观测分辨率

数字自适应光学技术只需用元成像芯片取代传统的成像传感器，就能为大口径地基天文望远镜提供全视场动态像差校正能力。

此外，元成像芯片还可以同时获取深度信息，与传统光场成像方法相比，在水平和轴向都具有更高的定位精度，为自动驾驶和工业检测提供了低成本的解决方案。

戴琼海介绍，未来研究组将进一步研究元成像架构，建立新一代通用图像传感器架构，可能广泛应用于天文观测，工业检测，移动终端，安防监控，医疗诊断等领域。