門捷列夫曾經說過：“科學是從(cong) 測量開始的。”光學成像拓展了人類的認知邊界，推動了科學的進步，同時也廣泛應用於(yu) 生活的方方麵麵。然而受到不可避免的鏡麵加工誤差、係統設計缺陷與(yu) 環境擾動的限製，實際成像分辨率與(yu) 信噪比往往顯著低於(yu) 完美成像係統。如何實現無像差的完美光學成像，一直是光學中最重要且懸而未決(jue) 的難題之一。

　　記者從(cong) 清華大學獲悉，近日，該校成像與(yu) 智能技術實驗室提出了一種集成化的元成像芯片架構，為(wei) 解決(jue) 這一百年難題開辟了一條新路徑。區別於(yu) 構建完美透鏡，研究團隊另辟蹊徑，研製了一種超級傳(chuan) 感器，記錄成像過程而非圖像本身，通過實現對非相幹複雜光場的超精細感知與(yu) 融合，即使經過不完美的光學透鏡與(yu) 複雜的成像環境，依然能夠實現完美的三維光學成像。

　　該成果近日以“集成化成像芯片實現像差矯正的三維攝影”為(wei) 題以長文形式發表在《自然》期刊上。

　　　減小光學像差是百年光學難題

　　光線經光學係統各表麵傳(chuan) 輸會(hui) 形成多種像差，使成像產(chan) 生模糊、變形等缺陷。光學係統設計的一項重要工作就是校正這些像差，使成像質量達到技術要求。

　　傳(chuan) 統光學係統主要為(wei) 人眼所設計，秉持“所見即所得”的設計理念，聚焦在光學端實現完美成像。近百年來，光學科學家與(yu) 工程師不斷提出新的光學設計方法，為(wei) 不同成像係統定製複雜的多級鏡麵、非球麵與(yu) 自由曲麵鏡頭，來減小像差、提升成像性能。但由於(yu) 加工工藝的限製與(yu) 複雜環境的擾動，難以製造出完美的成像係統。

　　“例如，由於(yu) 大範圍麵形平整度的加工誤差，難以製造超大口徑的鏡片實現超遠距離高分辨率成像；地基天文望遠鏡，受到動態變化的大氣湍流擾動，實際成像分辨率遠低於(yu) 光學衍射極限，限製了人類探索宇宙的能力，往往需要花費昂貴的代價(jia) 發射太空望遠鏡繞過大氣層。”研究團隊負責人、中國工程院院士、清華大學自動化係教授戴瓊海介紹。

　　為(wei) 解決(jue) 這一難題，自適應光學技術應運而生，人們(men) 通過波前傳(chuan) 感器實時感知環境像差擾動，並反饋給一麵可變形的反射鏡陣列，動態矯正對應的光學像差，以此保持完美的成像過程。基於(yu) 此，人們(men) 發現了星係中心的巨大黑洞。

　　然而，由於(yu) 像差在空間分布非均一的特性，該技術僅(jin) 能實現極小視場的高分辨成像，難以實現大視場多區域的同時矯正，並且由於(yu) 需要非常精細的複雜係統，往往成本十分高昂。

　　　將所有技術集成在單個(ge) 成像芯片上

　　近年來，數字化的高速發展催生了計算光學這一交叉學科，為(wei) 先進成像係統設計提供了新的思路。

　　記者從(cong) 清華大學獲悉，早在2021年，該校自動化係戴瓊海院士領導的成像與(yu) 智能實驗技術實驗室研究團隊發表於(yu) 《細胞》期刊上的成果，就首次提出了數字自適應光學的概念，為(wei) 解決(jue) 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，研究團隊將所有技術集成在單個(ge) 成像芯片上，使之能廣泛應用於(yu) 幾乎所有的成像場景，而不需要對現有成像係統做額外改造，並建立了波動光學範疇下的數字自適應光學架構，通過對複雜光場的高維超精細感知與(yu) 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(you) 勢使得在數字端對複雜光場的操控能夠媲美物理世界的模擬調製，就好像人們(men) 真正能夠在數字世界搬移每一條光線一樣，將感知與(yu) 矯正的過程完全解耦開來，從(cong) 而同時實現不同區域的高性能像差矯正。”戴瓊海說。

　　　有望帶來成像係統的顛覆性改變

　　研究人員進一步介紹，上述元芯片的數字自適應光學能力有望帶來成像係統的根本性改變。

　　傳(chuan) 統相機鏡頭的成本和尺寸都會(hui) 隨著有效像素數的增加而迅速增長，這也是高分辨率手機成像鏡頭即使使用了非常複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(cong) 底層傳(chuan) 感器端為(wei) 這些問題提供了可擴展的分布式解決(jue) 方案，使得我們(men) 能夠使用非常簡易的光學係統實現高性能成像。

　　除了成像係統存在的係統像差以外，成像環境中的擾動也會(hui) 導致空間折射率的非均勻分布，從(cong) 而引起複雜多變的環境像差。其中最為(wei) 典型的是大氣湍流對地基天文望遠鏡的影響，從(cong) 根本上限製了人類地基的光學觀測分辨率。

　　數字自適應光學技術僅(jin) 僅(jin) 需要將傳(chuan) 統成像傳(chuan) 感器替換為(wei) 元成像芯片，就能為(wei) 大口徑地基天文望遠鏡提供全視場動態像差矯正的能力。

　　此外，元成像芯片還可以同時獲取深度信息，相比傳(chuan) 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(wei) 自動駕駛與(yu) 工業(ye) 檢測提供了一種低成本的解決(jue) 方案。

　　戴瓊海介紹，未來，課題組將進一步深入研究元成像架構，建立新一代通用像感器架構，或可廣泛用於(yu) 天文觀測、工業(ye) 檢測、移動終端、安防監控、醫療診斷等領域。