基于一種集成化的元成像芯片架構(gòu)

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。

近日，清華大學(xué)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)（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(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，研制了一種超級(jí)傳感器，記錄成像過程而非圖像本身，通過實(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。團(tuán)隊(duì)攻克了超精細(xì)光場(chǎng)感知與超精細(xì)光場(chǎng)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(shí)現(xiàn)多維多尺度高分辨重建，借此能夠用對(duì)光線的數(shù)字調(diào)制來替代傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)中的物理模擬調(diào)制，并將其精度提升至光學(xué)衍射極限。這一技術(shù)解決了長(zhǎng)期以來的光學(xué)像差瓶頸，有望成為下一代通用像感器架構(gòu)，而無需改變現(xiàn)有的光學(xué)成像系統(tǒng)，帶來顛覆性的變化，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。

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(xué)系統(tǒng)主要為人眼所設(shè)計(jì)，保持著“所見即所得”的設(shè)計(jì)理念，聚焦于在光學(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(jí)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(dòng)，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(dòng)態(tài)變化的大氣湍流擾動(dòng)，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(jià)發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡繞過大氣層。

為了解決這一難題，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(shí)感知環(huán)境像差擾動(dòng)，并反饋給一面可變形的反射鏡陣列，動(dòng)態(tài)矯正對(duì)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并獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，并廣泛應(yīng)用于天文學(xué)與生命科學(xué)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(shí)現(xiàn)極小視場(chǎng)的高分辨成像，而難以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)多區(qū)域的同時(shí)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。

早在2021年，自動(dòng)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》期刊上的工作，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(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)做額外的改造，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。這一優(yōu)勢(shì)使得在數(shù)字端對(duì)復(fù)雜光場(chǎng)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(shí)實(shí)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(jī)鏡頭的成本和尺寸都會(huì)隨著有效像素?cái)?shù)的增加而迅速增長(zhǎng)，這也是為什么高分辨率手機(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。因?yàn)樗鼈兺ǔＰ枰鄠€(gè)精密設(shè)計(jì)與加工的多級(jí)鏡片來校正空間不一致的光學(xué)像差，而如果想進(jìn)一步推進(jìn)到有效的十億像素成像對(duì)傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計(jì)來說幾乎是一場(chǎng)災(zāi)難。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(jiǎn)易的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)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(xué)實(shí)現(xiàn)了十億像素高分辨率成像，將光學(xué)系統(tǒng)的成本與尺寸降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)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(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。其中最為典型的是大氣湍流對(duì)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(cè)分辨率，迫使人們不得不花費(fèi)高昂的代價(jià)發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡，比如價(jià)值百億美元的韋伯望遠(yuǎn)鏡。硬件自適應(yīng)光學(xué)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(jì)復(fù)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(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。研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)國(guó)家天文臺(tái)興隆觀測(cè)站上的清華-NAOC 80厘米口徑望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了測(cè)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(xué)矯正視場(chǎng)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(yuǎn)鏡40萬公里地月觀測(cè)實(shí)驗(yàn) 元成像芯片還可以同時(shí)獲取深度信息，比傳統(tǒng)光場(chǎng)成像方法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。未來，課題組將進(jìn)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(cè)、工業(yè)檢測(cè)、移動(dòng)終端、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域?！　?/p>