清华大学科研团队研制元成像芯片突破光学像差难题

传统相机镜头的成本和尺寸都会随着有效像素数的增加而迅速增长，这也是为什么高分辨率手机成像镜头即使使用了非常复杂的工艺也很难变薄，高端单反镜头特别昂贵的原因。因为它们通常需要多个精密设计与加工的多级镜片来校正空间不一致的光学像差，而如果想进一步推进到有效的十亿像素成像对传统光学设计来说几乎是一场灾难。元成像芯片从底层传感器端为这些问题提供了可扩展的分布式解决方案，使得我们能够使用非常简易的光学系统实现高性能成像。在普通的单透镜系统上即可通过数字自适应光学实现了十亿像素高分辨率成像，将光学系统的成本与尺寸降低了三个数量级以上。

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。其中最为典型的是大气湍流对地基天文望远镜的影响，从根本上限制了人类地基的光学观测分辨率，迫使人们不得不花费高昂的代价发射太空望远镜，比如价值百亿美元的韦伯望远镜。硬件自适应光学技术虽然可以缓解这一问题并已经被广泛使用，但它设计复杂、成本高昂，并且有效视野直径通常都小于40角秒。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。研究团队在中国国家天文台兴隆观测站上的清华-NAOC 80厘米口径望远镜上进行了测试，元成像芯片显著提升了天文成像的分辨率与信噪比，将自适应光学矫正视场直径从40角秒提升至了1000角秒。

图3.清华-NAOC 80厘米口径望远镜40万公里地月观测实验

元成像芯片还可以同时获取深度信息，比传统光场成像方法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。未来，课题组将进一步深入研究元成像架构，充分发挥元成像在不同领域的优越性，建立新一代通用像感器架构，从而带来三维感知性能的颠覆性提升，或可广泛用于天文观测、工业检测、移动终端、安防监控、医疗诊断等领域。

该成果于10月19日以“集成化成像芯片实现像差矫正的三维摄影”（An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography）为题以长文（Article）的形式发表在《自然》（Nature）期刊上。

清华大学自动化系戴琼海院士、电子系方璐副教授为该论文共同通讯作者；自动化系吴嘉敏助理教授、清华-伯克利深圳学院2020级博士研究生郭钰铎、自动化系博士后邓超担任共同第一作者。自动化系乔晖助理教授以及清华-伯克利深圳学院2018级博士研究生张安科、清华大学自动化系2018级博士研究生卢志、清华大学自动化系2020级博士研究生谢佳辰共同参与了该研究。该研究受到了国家自然科学基金委与国家科技部的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8