突破光學(xué)像差難題 清華大學(xué)成功研制元成像芯片
門捷列夫曾經(jīng)說過:“科學(xué)是從測量開始的?!惫鈱W(xué)成像拓展了人類的認(rèn)知邊界,推動了科學(xué)的進(jìn)步,同時也廣泛應(yīng)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(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷與環(huán)境擾動的限制,實(shí)際成像分辨率與信噪比往往顯著低于完美成像系統(tǒng)。如何實(shí)現(xiàn)無像差的完美光學(xué)成像,一直是光學(xué)中最重要且懸而未決的難題之一。
記者從清華大學(xué)獲悉,近日,該校成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室提出了一種集成化的元成像芯片架構(gòu),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(tuán)隊(duì)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(shí)現(xiàn)對非相干復(fù)雜光場的超精細(xì)感知與融合,即使經(jīng)過不完美的光學(xué)透鏡與復(fù)雜的成像環(huán)境,依然能夠?qū)崿F(xiàn)完美的三維光學(xué)成像。
該成果近日以“集成化成像芯片實(shí)現(xiàn)像差矯正的三維攝影”為題以長文形式發(fā)表在《自然》期刊上。
減小光學(xué)像差是百年光學(xué)難題
光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)各表面?zhèn)鬏敃纬啥喾N像差,使成像產(chǎn)生模糊、變形等缺陷。光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要工作就是校正這些像差,使成像質(zhì)量達(dá)到技術(shù)要求。
傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)主要為人眼所設(shè)計(jì),秉持“所見即所得”的設(shè)計(jì)理念,聚焦在光學(xué)端實(shí)現(xiàn)完美成像。近百年來,光學(xué)科學(xué)家與工程師不斷提出新的光學(xué)設(shè)計(jì)方法,為不同成像系統(tǒng)定制復(fù)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(fù)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(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離高分辨率成像;地基天文望遠(yuǎn)鏡,受到動態(tài)變化的大氣湍流擾動,實(shí)際成像分辨率遠(yuǎn)低于光學(xué)衍射極限,限制了人類探索宇宙的能力,往往需要花費(fèi)昂貴的代價發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡繞過大氣層。”研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系教授戴瓊海介紹。
為解決這一難題,自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,人們通過波前傳感器實(shí)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(xué)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。
然而,由于像差在空間分布非均一的特性,該技術(shù)僅能實(shí)現(xiàn)極小視場的高分辨成像,難以實(shí)現(xiàn)大視場多區(qū)域的同時矯正,并且由于需要非常精細(xì)的復(fù)雜系統(tǒng),往往成本十分高昂。
將所有技術(shù)集成在單個成像芯片上
近年來,數(shù)字化的高速發(fā)展催生了計(jì)算光學(xué)這一交叉學(xué)科,為先進(jìn)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了新的思路。
記者從清華大學(xué)獲悉,早在2021年,該校自動化系戴瓊海院士領(lǐng)導(dǎo)的成像與智能實(shí)驗(yàn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表于《細(xì)胞》期刊上的成果,就首次提出了數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)的概念,為解決空間非一致的光學(xué)像差提供了新思路。
在此次最新的研究成果中,研究團(tuán)隊(duì)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)做額外改造,并建立了波動光學(xué)范疇下的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu),通過對復(fù)雜光場的高維超精細(xì)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(fù)雜光場的操控能夠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,從而同時實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的高性能像差矯正?!贝鳝偤Uf。
有望帶來成像系統(tǒng)的顛覆性改變
研究人員進(jìn)一步介紹,上述元芯片的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)能力有望帶來成像系統(tǒng)的根本性改變。
傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭的成本和尺寸都會隨著有效像素?cái)?shù)的增加而迅速增長,這也是高分辨率手機(jī)成像鏡頭即使使用了非常復(fù)雜的工藝也很難變薄、高端單反鏡頭特別昂貴的原因。
戴瓊海介紹,元成像芯片從底層傳感器端為這些問題提供了可擴(kuò)展的分布式解決方案,使得我們能夠使用非常簡易的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高性能成像。
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(dǎo)致空間折射率的非均勻分布,從而引起復(fù)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(yuǎn)鏡的影響,從根本上限制了人類地基的光學(xué)觀測分辨率。
數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)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(yuǎn)鏡提供全視場動態(tài)像差矯正的能力。
此外,元成像芯片還可以同時獲取深度信息,相比傳統(tǒng)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(yè)檢測提供了一種低成本的解決方案。
戴瓊海介紹,未來,課題組將進(jìn)一步深入研究元成像架構(gòu),建立新一代通用像感器架構(gòu),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。
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