突破光學(xué)像差世界難題新路徑！清華團(tuán)隊(duì)成功研制元成像芯片
【化工儀器網(wǎng) 項(xiàng)目成果】在光學(xué)中，像差是光學(xué)系統(tǒng)(如透鏡)的一種特性，它使光擴(kuò)散到空間的某個(gè)區(qū)域而不是聚焦到一點(diǎn)。像差導(dǎo)致由透鏡形成的圖像模糊或扭曲，其畸變的性質(zhì)取決于像差的類型。其可以定義為光學(xué)系統(tǒng)所成的像與近軸光學(xué)所成像的偏差。在成像系統(tǒng)中，當(dāng)物體的某一點(diǎn)的光通過(guò)系統(tǒng)后未會(huì)聚到(或不發(fā)散)某一點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。
光學(xué)成像拓展了人類的認(rèn)知邊界，推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步，同時(shí)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(dòng)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)。完美光學(xué)成像是人類感知世界的終極目標(biāo)之一，但這個(gè)目標(biāo)卻從根本上受制于鏡面加工誤差與復(fù)雜環(huán)境擾動(dòng)所引起的光學(xué)像差。
近百年來(lái)，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(jí)鏡面、非球面與自由曲面鏡頭，來(lái)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(dòng)，難以制造出完美的成像系統(tǒng)。
近日，清華大學(xué)戴瓊海院士帶領(lǐng)的自動(dòng)化系成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)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(kāi)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，記錄成像過(guò)程而非圖像本身，通過(guò)實(shí)現(xiàn)對(duì)非相干復(fù)雜光場(chǎng)的超精細(xì)感知與融合，即使經(jīng)過(guò)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。
早在2021年，研究團(tuán)隊(duì)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，他們將所有技術(shù)集成在單個(gè)成像芯片上，使之能廣泛應(yīng)用于幾乎所有的成像場(chǎng)景，而不需要對(duì)現(xiàn)有成像系統(tǒng)做額外改造，并建立了波動(dòng)光學(xué)范疇下的數(shù)字自適應(yīng)光學(xué)架構(gòu)，通過(guò)對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)的高維超精細(xì)感知與融合，在具備極大的靈活性的同時(shí)，又能保持前所未有的成像精度。
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(dòng)也會(huì)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。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(chǎng)動(dòng)態(tài)像差矯正的能力。
除此之外，元成像芯片還可以同時(shí)獲取深度信息，相比傳統(tǒng)光場(chǎng)成像方法，其在橫向和軸向都具有更高的定位精度，為自動(dòng)駕駛與工業(yè)檢測(cè)提供了一種低成本的解決方案。
該技術(shù)解決了長(zhǎng)期以來(lái)的光學(xué)像差瓶頸，有望成為下一代通用像感器架構(gòu)，而無(wú)需改變現(xiàn)有的光學(xué)成像系統(tǒng)，帶來(lái)顛覆性的變化，將應(yīng)用于天文觀測(cè)、生物成像、醫(yī)療診斷、移動(dòng)終端、工業(yè)檢測(cè)、安防監(jiān)控等領(lǐng)域。相關(guān)研究論文發(fā)表在最新一期《自然》上。
(資料來(lái)源：科技日?qǐng)?bào))
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