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06-18
清华大学 完美的光学成像是人类感知世界的终极目标之一，但这一目标从根本上受到镜面加工误差和复杂性的限制环境干扰引起的光学像差。
《科学》该杂志还将“能否制造出完美的光学镜头”列为21世纪前沿科学问题之一。
近日，清华大学成像与智能技术实验室提出了集成元成像芯片架构（Meta-imaging传感器），为解决这一百年难题开辟了新路径。
与构建完美镜头不同，研究团队采取了不同的方法，开发了一种记录成像过程而不是图像本身的超级传感器。
通过实现非相干复杂光场的超精细感知和融合，即使在不完善的光学镜头和复杂的成像环境之后，仍然可以实现完美的三维光学成像。
团队攻克了超精细光场感知和超精细光场融合两大核心技术，利用分布式传感突破空间带宽乘积瓶颈，利用自组织融合实现多维度、多尺度高分辨率重建，从而使用光的数字调制。
取代传统光学系统中的物理模拟调制，并将其精度提高到光学衍射极限。
该技术解决了长期存在的光学像差瓶颈，有望在不改变现有光学成像系统的情况下成为下一代通用图像传感器架构，带来颠覆性变化，并将应用于天文观测、生物成像、医疗等领域。
诊断、移动终端、工业检测、安防监控等领域。
传统光学系统主要针对人眼设计，保持“所见即所得”的设计理念，注重在光学端实现完美成像。
近一个世纪以来，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镜、非球面和自由曲面透镜，以减少像差，提高成像性能。
然而，由于处理技术的限制和复杂环境的干扰，很难创建完美的成像系统。
例如，由于大范围表面平整度的加工误差，难以制造超大口径镜头以实现超远距离高分辨率成像；地面天文望远镜受到动态变化的大气湍流的干扰，实际成像分辨率远低于光学衍射极限。
这限制了人类探索宇宙的能力，通常需要付出昂贵的努力才能在大气层周围发射太空望远镜。
为了解决这个问题，自适应光学技术应运而生。
人们通过波前传感器实时感知环境像差扰动，并将其反馈给可变形镜阵列，动态校正相应的光学像差，保持完美的成像过程，基于此人们发现了星系中心的巨大黑洞并荣获诺贝尔奖，广泛应用于天文学和生命科学领域。
然而，由于像差的空间分布不均匀，该技术只能在很小的视场范围内实现高分辨率成像，而很难实现大视场范围内多个区域的同时校正，并且成本通常非常高，因为它需要非常精密和复杂的系统。
。
早在2016年，自动化系戴琼海院士领衔的成像与智能实验技术实验室研究团队就在《细胞》杂志上发表了工作，首次提出了数字自适应光学的概念，为空间非光学问题提供了解决方案。
均匀的光学像差。
新主意。
在最新的研究成果中，研究团队将所有技术集成在单个成像芯片上，使其广泛适用于几乎所有成像场景，而无需对现有成像系统进行额外修改，并建立了波动光学数字自适应光学架构的类别。
通过高维超精细感知和复杂光场融合，在保持前所未有的成像精度的同时，具有极大的灵活性。
这一优势使得数字侧复杂光场的操控完全可以与物理世界中的模拟调制相媲美。
仿佛人们可以真正移动数字世界中的每一束光线，将感知和校正的过程完全解耦，从而能够同时实现不同区域的高性能像差校正。
传统相机镜头的成本和尺寸将随着有效像素数的增加而迅速增加。
这就是为什么高分辨率手机成像镜头即使采用非常复杂的工艺也很难薄化，以及高端单反镜头特别昂贵的原因。
由于它们通常需要多个精密设计和加工的多级镜头来校正空间不一致的光学像差，因此传统光学设计要进一步推进有效的十亿像素成像几乎是一场灾难。
元成像芯片从低级传感器端为这些问题提供了可扩展的分布式解决方案，使我们能够使用非常简单的光学系统实现高性能成像。
采用数字自适应光学可以在普通单镜头系统上实现十亿像素高分辨率成像，使光学系统的成本和尺寸降低三个数量级以上。
除了成像系统中存在的系统像差外，成像环境的扰动也会导致空间折射率分布不均匀，从而产生复杂多变的环境像差。
最典型的就是大气湍流对地面天文望远镜的影响，从根本上限制了人类地面光学观测的分辨率，迫使人们以高昂的成本发射太空望远镜，比如价值数百亿的韦伯望远镜美元。
虽然硬件自适应光学技术可以缓解这一问题并得到广泛应用，但其设计复杂且成本高昂，且有效视场直径通常小于40弧秒。
数字自适应光学技术只需用元成像芯片替代传统成像传感器，即可为大口径地基天文望远镜提供全视场动态像差校正能力。
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