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清华大学成功开发了元成像芯片,征服了两项核心技术
(2024年6月19日更新)

完美的光学成像是人类感知世界的最终目标之一,但它从根本上受到镜面处理误差和复杂环境干扰造成的光学成像差的影响。《科学》杂志还将完美的光学透镜列为21世纪125个前沿科学问题之一。

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近日,清华大学成像与智能技术实验室提出了一种集成元成像芯片架构(Meta-imaging sensor),开辟了解决百年问题的新途径。

与构建完美透镜不同,研究团队开发了一种记录成像过程而不是图像本身的超级传感器,即使通过不完美的光学透镜和复杂的成像环境,也可以实现完美的三维光学成像。团队克服了超精细光场感知和超精细光场集成两种核心技术,突破了空间带宽积累瓶颈的分布式感知,实现了自组织集成的多维多尺度高分辨重建,可以取代传统光学系统中的物理模拟调节,并将其精度提高到光衍射极限。

该技术解决了长期光学图像差异的瓶颈,预计将成为下一代通用图像传感器架构,并将应用于天文观测、生物成像、医学诊断、移动终端、工业检测、安全监控等领域。

传统的光学系统主要是为人眼设计的,保持着所见即所得的设计理念近百年来,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面、非球面和自由曲面镜头,以降低成像差异,提高成像性能。但由于加工工艺的限制和复杂环境的干扰,很难制造出完美的成像系统。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,实现超远程高分辨率成像;基础天文望远镜受到动态变化的大气湍流干扰,实际成像分辨率远低于光衍射极限,限制了人类探索宇宙的能力,通常需要昂贵的成本来发射太空望远镜绕过大气层。

为了解决这一问题,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图像干扰,并将其反馈给可变形的反射镜阵列,动态校正相应的光图像差,以保持完美的成像过程。在此基础上,人们发现了星系中心的巨大黑洞,并获得了诺贝尔奖,并广泛应用于天文学和生命科学领域。但由于像差在空间分布不均匀的特点,该技术只能实现小视场的高分辨率成像,难以实现大视场多区域的同时矫正,而且由于需要非常精细的复杂系统,成本往往非常高。

早在2021年,戴琼海院士领导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,为解决空间不一致的光学图像差异提供了新的思路。

在最新的研究结果中,研究团队将所有技术集成到单个成像芯片上,以便在不进行额外改造的情况下广泛应用于几乎所有的成像场景,并在波动光学范围下建立数字自适应光学架构。在保持前所未有的成像精度的同时,通过对复杂光场的高维超精细感知度,同时具有很大的灵活性。这一优势使得数字端对复杂光场的控制与物理世界的模拟调制完全相当,就像人们真正能够在数字世界中移动每一个光一样,完全解耦感知和矫正过程,从而实现不同区域的高性能像差矫正。

随着有效像素数量的增加,传统相机镜头的成本和尺寸将迅速增加,这就是为什么高分辨率手机成像镜头即使使使用了非常复杂的过程也很难变薄,高端单反镜头特别昂贵。因为它们通常需要多个精密设计和加工的多级镜头来纠正空间不一致的光学图像差异,而传统光学设计进一步推广10亿像素成像几乎是一场灾难。元成像芯片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来实现高性能成像。10亿像素高分辨率成像可以通过数字自适应光学在普通单透镜系统上实现,光学系统的成本和尺寸可以降低三个数量级以上。

除了成像系统的系统图像差外,成像环境中的干扰也会导致空间折射率的不均匀分布,导致复杂多变的环境图像差。最典型的是大气湍流对基础天文望远镜的影响,SequansCommunications代理从根本上限制了人类地基的光学观测分辨率,迫使人们以高昂的价格发射太空望远镜,如价值100亿美元的韦伯望远镜。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,成本高,有效视野直径通常小于40角秒。数字自适应光学技术只需用元成像芯片代替传统成像传感器,为大口径基础天文望远镜提供全视场动态像差矫正能力。中国国家天文台兴隆观测站的清华研究团队-NAOC 测试了80厘米口径望远镜,元成像芯片显著提高了天文成像的分辨率和信噪比,将自适应光学矫正视场直径从40秒提高到1000秒。

元成像芯片还可以同时获取深度信息,比传统的光场成像方法具有更高的横向和轴向定位精度,为自动驾驶和工业检测提供了低成本的解决方案。未来,研究小组将进一步研究元成像架构,充分发挥元成像在不同领域的优势,建立新一代通用成像架构,提高三维感知性能,或可广泛应用于天文观测、工业检测、移动终端、安全监控、医疗诊断等领域。

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