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完美的光學成像是人類感知世界的最終目標之一，但它從根本上受到鏡面處理誤差和復雜環境干擾造成的光學成像差的影響。《科學》雜志還將完美的光學透鏡列為21世紀125個前沿科學問題之一。

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近日，清華大學成像與智能技術實驗室提出了一種集成元成像芯片架構（Meta-imaging sensor），開辟了解決百年問題的新途徑。

與構建完美透鏡不同，研究團隊開發了一種記錄成像過程而不是圖像本身的超級傳感器，即使通過不完美的光學透鏡和復雜的成像環境，也可以實現完美的三維光學成像。團隊克服了超精細光場感知和超精細光場集成兩種核心技術，突破了空間帶寬積累瓶頸的分布式感知，實現了自組織集成的多維多尺度高分辨重建，可以取代傳統光學系統中的物理模擬調節，并將其精度提高到光衍射極限。

該技術解決了長期光學圖像差異的瓶頸，預計將成為下一代通用圖像傳感器架構，并將應用于天文觀測、生物成像、醫學診斷、移動終端、工業檢測、安全監控等領域。

傳統的光學系統主要是為人眼設計的，保持著所見即所得的設計理念近百年來，光學科學家和工程師不斷提出新的光學設計方法，為不同的成像系統定制復雜的多級鏡面、非球面和自由曲面鏡頭，以降低成像差異，提高成像性能。但由于加工工藝的限制和復雜環境的干擾，很難制造出完美的成像系統。例如，由于大范圍表面平整度的加工誤差，難以制造超大口徑鏡頭，實現超遠程高分辨率成像；基礎天文望遠鏡受到動態變化的大氣湍流干擾，實際成像分辨率遠低于光衍射極限，限制了人類探索宇宙的能力，通常需要昂貴的成本來發射太空望遠鏡繞過大氣層。

為了解決這一問題，自適應光學技術應運而生。人們通過波前傳感器實時感知環境圖像干擾，并將其反饋給可變形的反射鏡陣列，動態校正相應的光圖像差，以保持完美的成像過程。在此基礎上，人們發現了星系中心的巨大黑洞，并獲得了諾貝爾獎，并廣泛應用于天文學和生命科學領域。但由于像差在空間分布不均勻的特點，該技術只能實現小視場的高分辨率成像，難以實現大視場多區域的同時矯正，而且由于需要非常精細的復雜系統，成本往往非常高。

早在2021年，戴瓊海院士領導的成像與智能實驗技術實驗室研究團隊就在《細胞》雜志上發表了工作，首次提出了數字自適應光學的概念，為解決空間不一致的光學圖像差異提供了新的思路。

在最新的研究結果中，研究團隊將所有技術集成到單個成像芯片上，以便在不進行額外改造的情況下廣泛應用于幾乎所有的成像場景，并在波動光學范圍下建立數字自適應光學架構。在保持前所未有的成像精度的同時，通過對復雜光場的高維超精細感知度，同時具有很大的靈活性。這一優勢使得數字端對復雜光場的控制與物理世界的模擬調制完全相當，就像人們真正能夠在數字世界中移動每一個光一樣，完全解耦感知和矯正過程，從而實現不同區域的高性能像差矯正。

隨著有效像素數量的增加，傳統相機鏡頭的成本和尺寸將迅速增加，這就是為什么高分辨率手機成像鏡頭即使使使用了非常復雜的過程也很難變薄，高端單反鏡頭特別昂貴。因為它們通常需要多個精密設計和加工的多級鏡頭來糾正空間不一致的光學圖像差異，而傳統光學設計進一步推廣10億像素成像幾乎是一場災難。元成像芯片為這些問題提供了可擴展的分布式解決方案，使我們能夠使用非常簡單的光學系統來實現高性能成像。10億像素高分辨率成像可以通過數字自適應光學在普通單透鏡系統上實現，光學系統的成本和尺寸可以降低三個數量級以上。

除了成像系統的系統圖像差外，成像環境中的干擾也會導致空間折射率的不均勻分布，導致復雜多變的環境圖像差。最典型的是大氣湍流對基礎天文望遠鏡的影響，SequansCommunications代理從根本上限制了人類地基的光學觀測分辨率，迫使人們以高昂的價格發射太空望遠鏡，如價值100億美元的韋伯望遠鏡。雖然硬件自適應光學技術可以緩解這一問題并得到廣泛應用，但其設計復雜，成本高，有效視野直徑通常小于40角秒。數字自適應光學技術只需用元成像芯片代替傳統成像傳感器，為大口徑基礎天文望遠鏡提供全視場動態像差矯正能力。中國國家天文臺興隆觀測站的清華研究團隊-NAOC 測試了80厘米口徑望遠鏡，元成像芯片顯著提高了天文成像的分辨率和信噪比，將自適應光學矯正視場直徑從40秒提高到1000秒。

元成像芯片還可以同時獲取深度信息，比傳統的光場成像方法具有更高的橫向和軸向定位精度，為自動駕駛和工業檢測提供了低成本的解決方案。未來，研究小組將進一步研究元成像架構，充分發揮元成像在不同領域的優勢，建立新一代通用成像架構，提高三維感知性能，或可廣泛應用于天文觀測、工業檢測、移動終端、安全監控、醫療診斷等領域。