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突破光学像差世界难题新路径！清华团队成功研制元成像芯片
2022年10月25日 11:08:58
来源：化工仪器网 点击量：4772
近日，清华大学戴琼海院士带领的自动化系成像与智能技术实验室团队提出了一种集成化的元成像芯片架构，为解决这一百年难题开辟了一条新路径。
【化工仪器网 项目成果】在光学中，像差是光学系统(如透镜)的一种特性，它使光扩散到空间的某个区域而不是聚焦到一点。像差导致由透镜形成的图像模糊或扭曲，其畸变的性质取决于像差的类型。其可以定义为光学系统所成的像与近轴光学所成像的偏差。在成像系统中，当物体的某一点的光通过系统后未会聚到(或不发散)某一点时，就会发生这种现象。
光学成像拓展了人类的认知边界，推动了科学的进步，同时也广泛应用于生活的方方面面。然而受到不可避免的镜面加工误差、系统设计缺陷与环境扰动的限制，实际成像分辨率与信噪比往往显著低于完美成像系统。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。
近百年来，光学科学家与工程师不断提出新的光学设计方法，为不同成像系统定制复杂的多级镜面、非球面与自由曲面镜头，来减小像差提升成像性能。但由于加工工艺的限制与复杂环境的扰动，难以制造出完美的成像系统。
近日，清华大学戴琼海院士带领的自动化系成像与智能技术实验室团队提出了一种集成化的元成像芯片架构，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，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。
早在2021年，研究团队就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。在此次最新的研究成果中，他们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。
除了成像系统存在的系统像差以外，成像环境中的扰动也会导致空间折射率的非均匀分布，从而引起复杂多变的环境像差。数字自适应光学技术仅仅需要将传统成像传感器替换为元成像芯片，就能为大口径地基天文望远镜提供全视场动态像差矫正的能力。
除此之外，元成像芯片还可以同时获取深度信息，相比传统光场成像方法，其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。
该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、安防监控等领域。相关研究论文发表在最新一期《自然》上。
(资料来源：科技日报)
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