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  • 清華大學科研團隊研制元成像芯片突破光學像差難題

    作者:佚名 來源:清華大學 時間:2022-10-23 11:30 閱讀:207 [投稿]
    研制了一種超級傳感器,記錄成像過程而非圖像本身,通過實現對非相干復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復雜的成像環境,依然能夠實現完美的三維光學成像。

    完美光學成像是人類感知世界的終極目標之一,但這個目標卻從根本上受制于鏡面加工誤差與復雜環境擾動所引起的光學像差!犊茖W》期刊也將“能否制造完美的光學透鏡”列為21世紀125個科學前沿問題之一。

    近日,清華大學成像與智能技術實驗室提出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辟了一條新路徑。區別于構建完美透鏡,研究團隊另辟蹊徑,研制了一種超級傳感器,記錄成像過程而非圖像本身,通過實現對非相干復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復雜的成像環境,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,借此能夠用對光線的數字調制來替代傳統光學系統中的物理模擬調制,并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,將應用于天文觀測、生物成像、醫療診斷、移動終端、工業檢測、安防監控等領域。


    圖1. 元成像芯片成像原理與大范圍像差矯正效果

    傳統光學系統主要為人眼所設計,保持著“所見即所得”的設計理念,聚焦于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,為不同成像系統定制復雜的多級鏡面、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雜環境的擾動,難以制造出完美的成像系統。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于光學衍射極限,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。

    為了解決這一難題,自適應光學技術應運而生,人們通過波前傳感器實時感知環境像差擾動,并反饋給一面可變形的反射鏡陣列,動態矯正對應的光學像差,以此保持完美的成像過程,基于此人們發現了星系中心的巨大黑洞并獲得了諾貝爾獎,并廣泛應用于天文學與生命科學領域。然而由于像差在空間分布非均一的特性,該技術僅能實現極小視場的高分辨成像,而難以實現大視場多區域的同時矯正,并且由于需要非常精細的復雜系統往往成本十分高昂。

    早在2021年,自動化系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于《細胞》期刊上的工作,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,使之能廣泛應用于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,并建立了波動光學范疇下的數字自適應光學架構。通過對復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復雜光場的操控能夠完全媲美物理世界的模擬調制,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。


    圖2.元成像芯片——單透鏡高性能成像

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