元成像芯片成像原理与大范围像差矫正效果。

清华-NAOC 80厘米口径望远镜40万公里地月观测实验。

　　本报讯 完美光学成像是人类感知世界的终极目标之一，但这个目标却从根本上受制于镜面加工误差与复杂环境扰动所引起的光学像差。《科学》（Science）期刊将“能否制造完美的光学透镜”列为21世纪125个科学前沿问题之一。
　　近日，清华大学成像与智能技术实验室提出了一种集成化的元成像芯片架构（Meta-imaging sensor），为解决这一百年难题开辟了一条新路径。区别于构建完美透镜，研究团队另辟蹊径，研制了一种超级传感器，记录成像过程而非图像本身，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，即使经过不完美的光学透镜与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。团队攻克了超精细光场感知与超精细光场融合两大核心技术，以分布式感知突破空间带宽积瓶颈，以自组织融合实现多维多尺度高分辨重建，借此能够用对光线的数字调制来替代传统光学系统中的物理模拟调制，并将其精度提升至光学衍射极限。这一技术解决了长期以来的光学像差瓶颈，有望成为下一代通用像感器架构，而无需改变现有的光学成像系统，带来颠覆性的变化，将应用于天文观测、生物成像、医疗诊断、移动终端、工业检测和安防监控等领域。
　　早在2021年，自动化系戴琼海院士领导的成像与智能技术实验室研究团队发表于《细胞》（Cell）期刊上的工作，首次提出了数字自适应光学的概念，为解决空间非一致的光学像差提供了新思路。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，使之能广泛应用于几乎所有的成像场景，而不需要对现有成像系统做额外的改造，并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与融合，在具备极大的灵活性的同时，又能保持前所未有的成像精度。
　　研究团队在中国国家天文台兴隆观测站上的清华-NAOC 80厘米口径望远镜上进行了测试，元成像芯片显著提升了天文成像的分辨率与信噪比，将自适应光学矫正视场直径从40角秒提升至了1000角秒。
　　元成像芯片还可以同时获取深度信息，比传统光场成像方法在横向和轴向都具有更高的定位精度，为自动驾驶与工业检测提供了一种低成本的解决方案。未来，课题组将进一步深入研究元成像架构，充分发挥元成像在不同领域的优越性，建立新一代通用像感器架构，从而带来三维感知性能的颠覆性提升。
　　该研究成果于10月19日以“集成化成像芯片实现像差矫正的三维摄影”为题，以长文的形式发表在《自然》（Nature）期刊上。戴琼海、清华大学电子系副教授方璐为该论文共同通讯作者；清华大学自动化系助理教授吴嘉敏、清华-伯克利深圳学院2020级博士研究生郭钰铎、自动化系博士后邓超担任共同第一作者。
　　（自动化系）