基于一種集成化的元成像芯片架構(gòu)

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(huán)境擾動所引起的光學像差。

近日，清華大學成像與智能技術(shù)實驗室提出了一種集成化的元成像芯片架構(gòu)（Meta-imaging sensor），為解決這一百年難題開辟了一條新路徑。區(qū)別于構(gòu)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(xiàn)對非相干復雜光場的超精細感知與融合，即使經(jīng)過不完美的光學透鏡與復雜的成像環(huán)境，依然能夠?qū)崿F(xiàn)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(shù)，以分布式感知突破空間帶寬積瓶頸，以自組織融合實現(xiàn)多維多尺度高分辨重建，借此能夠用對光線的數(shù)字調(diào)制來替代傳統(tǒng)光學系統(tǒng)中的物理模擬調(diào)制，并將其精度提升至光學衍射極限。這一技術(shù)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(gòu)，而無需改變現(xiàn)有的光學成像系統(tǒng)，帶來顛覆性的變化，將應(yīng)用于天文觀測、生物成像、醫(yī)療診斷、移動終端、工業(yè)檢測、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。

圖1.?元成像芯片成像原理與大范圍像差矯正效果

傳統(tǒng)光學系統(tǒng)主要為人眼所設(shè)計，保持著“所見即所得”的設(shè)計理念，聚焦于在光學端實現(xiàn)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(shè)計方法，為不同成像系統(tǒng)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(huán)境的擾動，難以制造出完美的成像系統(tǒng)。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(xiàn)超遠距離高分辨率成像；地基天文望遠鏡，受到動態(tài)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(fā)射太空望遠鏡繞過大氣層。

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

早在2021年，自動化系戴瓊海院士領(lǐng)導的成像與智能實驗技術(shù)實驗室研究團隊發(fā)表于《細胞》期刊上的工作，首次提出了數(shù)字自適應(yīng)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(shù)集成在單個成像芯片上，使之能廣泛應(yīng)用于幾乎所有的成像場景，而不需要對現(xiàn)有成像系統(tǒng)做額外的改造，并建立了波動光學范疇下的數(shù)字自適應(yīng)光學架構(gòu)。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(yōu)勢使得在數(shù)字端對復雜光場的操控能夠完全媲美物理世界的模擬調(diào)制，就好像人們真正能夠在數(shù)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(xiàn)不同區(qū)域的高性能像差矯正。 圖2.元成像芯片——單透鏡高性能成像

傳統(tǒng)相機鏡頭的成本和尺寸都會隨著有效像素數(shù)的增加而迅速增長，這也是為什么高分辨率手機成像鏡頭即使使用了非常復雜的工藝也很難變薄，高端單反鏡頭特別昂貴的原因。因為它們通常需要多個精密設(shè)計與加工的多級鏡片來校正空間不一致的光學像差，而如果想進一步推進到有效的十億像素成像對傳統(tǒng)光學設(shè)計來說幾乎是一場災難。元成像芯片從底層傳感器端為這些問題提供了可擴展的分布式解決方案，使得我們能夠使用非常簡易的光學系統(tǒng)實現(xiàn)高性能成像。在普通的單透鏡系統(tǒng)上即可通過數(shù)字自適應(yīng)光學實現(xiàn)了十億像素高分辨率成像，將光學系統(tǒng)的成本與尺寸降低了三個數(shù)量級以上。

除了成像系統(tǒng)存在的系統(tǒng)像差以外，成像環(huán)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(huán)境像差。其中最為典型的是大氣湍流對地基天文望遠鏡的影響，從根本上限制了人類地基的光學觀測分辨率，迫使人們不得不花費高昂的代價發(fā)射太空望遠鏡，比如價值百億美元的韋伯望遠鏡。硬件自適應(yīng)光學技術(shù)雖然可以緩解這一問題并已經(jīng)被廣泛使用，但它設(shè)計復雜、成本高昂，并且有效視野直徑通常都小于40角秒。數(shù)字自適應(yīng)光學技術(shù)僅僅需要將傳統(tǒng)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(tài)像差矯正的能力。研究團隊在中國國家天文臺興隆觀測站上的清華-NAOC 80厘米口徑望遠鏡上進行了測試，元成像芯片顯著提升了天文成像的分辨率與信噪比，將自適應(yīng)光學矯正視場直徑從40角秒提升至了1000角秒。 圖3.清華-NAOC?80厘米口徑望遠鏡40萬公里地月觀測實驗 元成像芯片還可以同時獲取深度信息，比傳統(tǒng)光場成像方法在橫向和軸向都具有更高的定位精度，為自動駕駛與工業(yè)檢測提供了一種低成本的解決方案。未來，課題組將進一步深入研究元成像架構(gòu)，充分發(fā)揮元成像在不同領(lǐng)域的優(yōu)越性，建立新一代通用像感器架構(gòu)，從而帶來三維感知性能的顛覆性提升，或可廣泛用于天文觀測、工業(yè)檢測、移動終端、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域?！　?/p>