清華大學腦與認知科學研究院

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清華大學腦與認知科學研究院完美光學成像是人類感知世界的終極目標之一，卻從根本上受制於鏡面加工誤差與複雜環境擾動所引起的光學像差。《科學》雜誌也將「能否製造完美的光學透鏡」列為21世紀125個科學前沿問題之一。

目錄

簡介

2022年10月19日，清華大學腦與認知科學研究院，在《自然》（Nature）雜誌以長文形式報道了一種集成化的元成像芯片架構(Meta-imaging sensor)，為解決這一百年難題開闢了一條新路徑。區別於構建完美透鏡，研究團隊另闢蹊徑，研製了一種超級傳感器，記錄成像過程而非圖像本身，通過實現對非相干複雜光場的超精細感知與融合，即使經過不完美的光學透鏡與複雜的成像環境，依然能夠實現完美的三維光學成像。團隊攻克了超精細光場感知與超精細光場融合兩大核心技術，以分布式感知突破空間帶寬積瓶頸，以自組織融合實現多維多尺度高分辨重建，藉此能夠用對光線的數字調製來替代傳統光學系統中的物理模擬調製，並將其精度提升至光學衍射極限。這一技術解決了長期以來的光學像差瓶頸，有望成為下一代通用像感器架構，而無需改變現有的光學成像系統，帶來顛覆性的變化，將應用於天文觀測，生物成像，醫療診斷，移動終端，工業檢測，安防監控等領域。

設計理念

傳統光學系統主要為人眼所設計，保持着「所見即所得」的設計理念，聚焦於在光學端實現完美成像。近百年來，光學科學家與工程師不斷提出新的光學設計方法，為不同成像系統定製複雜的多級鏡面、非球面與自由曲面鏡頭，來減小像差提升成像性能。但由於加工工藝的限制與複雜環境的擾動，難以製造出完美的成像系統。例如由於大範圍面形平整度的加工誤差，難以製造超大口徑的鏡片實現超遠距離高分辨率成像；地基天文望遠鏡，受到動態變化的大氣湍流擾動，實際成像分辨率遠低於光學衍射極限，限制了人類探索宇宙的能力，往往需要花費昂貴的代價發射太空望遠鏡繞過大氣層。

研究團隊

早在2021年，戴瓊海院士領導的成像與智能實驗技術實驗室研究團隊發表於《細胞》雜誌上的工作，首次提出了數字自適應光學的概念，為解決空間非一致的光學像差提供了新思路。在最新的研究成果中，研究團隊將所有技術集成在單個成像芯片上，使之能廣泛應用於幾乎所有的成像場景，而不需要對現有成像系統做額外的改造，並建立了波動光學範疇下的數字自適應光學架構。通過對複雜光場的高維超精細感知與融合，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。這一優勢使得在數字端對複雜光場的操控能夠完全媲美物理世界的模擬調製，就好像人們真正能夠在數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，從而能夠同時實現不同區域的高性能像差矯正。

傳統相機鏡頭的成本和尺寸都會隨着有效像素數的增加而迅速增長，這也是為什麼高分辨率手機成像鏡頭即使使用了非常複雜的工藝也很難變薄，高端單反鏡頭特別昂貴的原因。因為它們通常需要多個精密設計與加工的多級鏡片來校正空間不一致的光學像差，而如果想進一步推進到有效的十億像素成像對傳統光學設計來說幾乎是一場災難。元成像芯片從底層傳感器端為這些問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易的光學系統實現高性能成像。在普通的單透鏡系統上即可通過數字自適應光學實現了十億像素高分辨率成像，將光學系統的成本與尺寸降低了三個數量級以上。除了成像系統存在的系統像差以外，成像環境中的擾動也會導致空間折射率的非均勻分布，從而引起複雜多變的環境像差。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地基的光學觀測分辨率，迫使人們不得不花費高昂的代價發射太空望遠鏡，比如價值百億美元的韋伯望遠鏡。硬件自適應光學技術雖然可以緩解這一問題並已經被廣泛使用，但它設計複雜，成本高昂，並且有效視野直徑通常都小於40角秒。數字自適應光學技術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了全視場動態像差矯正的能力。研究團隊在中國國家天文台興隆觀測站上的清華-NAOC 80厘米口徑望遠鏡上進行了測試，元成像芯片顯著提升了天文成像的分辨率與信噪比，將自適應光學矯正視場直徑從40角秒提升至了1000角秒。

元成像芯片還可以同時獲取深度信息，比傳統光場成像方法在橫向和軸向都具有更高的定位精度，為自動駕駛與工業檢測提供了一種低成本的解決方案。而在未來，課題組將進一步深入研究元成像架構，充分發揮元成像在不同領域的優越性，建立新一代通用像感器架構，從而帶來三維感知性能的顛覆性提升，或可廣泛用於天文觀測、工業檢測、移動終端、安防監控、醫療診斷等領域，相關技術已經在元潼（北京）技術有限公司進行產業轉化。