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突破光學像差世界難題新路徑！清華團隊成功研制元成像芯片
2022年10月25日 11:08:58
來源：化工儀器網 點擊量：4599
近日，清華大學戴瓊海院士帶領的自動化系成像與智能技術實驗室團隊提出了一種集成化的元成像芯片架構，為解決這一百年難題開辟了一條新路徑。
【化工儀器網 項目成果】在光學中，像差是光學系統(如透鏡)的一種特性，它使光擴散到空間的某個區域而不是聚焦到一點。像差導致由透鏡形成的圖像模糊或扭曲，其畸變的性質取決于像差的類型。其可以定義為光學系統所成的像與近軸光學所成像的偏差。在成像系統中，當物體的某一點的光通過系統后未會聚到(或不發散)某一點時，就會發生這種現象。
光學成像拓展了人類的認知邊界，推動了科學的進步，同時也廣泛應用于生活的方方面面。然而受到不可避免的鏡面加工誤差、系統設計缺陷與環境擾動的限制，實際成像分辨率與信噪比往往顯著低于完美成像系統。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。
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。
近日，清華大學戴瓊海院士帶領的自動化系成像與智能技術實驗室團隊提出了一種集成化的元成像芯片架構，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，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。
早在2021年，研究團隊就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。在此次最新的研究成果中，他們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。
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，從而引起復雜多變的環境像差。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全視場動態像差矯正的能力。
除此之外，元成像芯片還可以同時獲取深度信息，相比傳統光場成像方法，其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。
該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。相關研究論文發表在最新一期《自然》上。
(資料來源：科技日報)
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