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突破光學像差世界難題新路徑!清華團隊成功研制元成像芯片
2022年10月25日 11:08:58 來源:化工儀器網(wǎng) 點擊量:4594

近日,清華大學戴瓊海院士帶領(lǐng)的自動化系成像與智能技術(shù)實驗室團隊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辟了一條新路徑。

  【化工儀器網(wǎng) 項目成果】在光學中,像差是光學系統(tǒng)(如透鏡)的一種特性,它使光擴散到空間的某個區(qū)域而不是聚焦到一點。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。其可以定義為光學系統(tǒng)所成的像與近軸光學所成像的偏差。在成像系統(tǒng)中,當物體的某一點的光通過系統(tǒng)后未會聚到(或不發(fā)散)某一點時,就會發(fā)生這種現(xiàn)象。
 
  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(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)計缺陷與環(huán)境擾動的限制,實際成像分辨率與信噪比往往顯著低于完美成像系統(tǒng)。完美光學成像是人類感知世界的終極目標之一,但這個目標卻從根本上受制于鏡面加工誤差與復(fù)雜環(huán)境擾動所引起的光學像差。
 
  近百年來,光學科學家與工程師不斷提出新的光學設(shè)計方法,為不同成像系統(tǒng)定制復(fù)雜的多級鏡面、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,難以制造出完美的成像系統(tǒng)。
 
  近日,清華大學戴瓊海院士帶領(lǐng)的自動化系成像與智能技術(shù)實驗室團隊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辟了一條新路徑。區(qū)別于構(gòu)建完美透鏡,研究團隊另辟蹊徑,記錄成像過程而非圖像本身,通過實現(xiàn)對非相干復(fù)雜光場的超精細感知與融合,即使經(jīng)過不完美的光學透鏡與復(fù)雜的成像環(huán)境,依然能夠?qū)崿F(xiàn)完美的三維光學成像。
 
  早在2021年,研究團隊就首次提出了數(shù)字自適應(yīng)光學的概念,為解決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,他們將所有技術(shù)集成在單個成像芯片上,使之能廣泛應(yīng)用于幾乎所有的成像場景,而不需要對現(xiàn)有成像系統(tǒng)做額外改造,并建立了波動光學范疇下的數(shù)字自適應(yīng)光學架構(gòu),通過對復(fù)雜光場的高維超精細感知與融合,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
 
  除了成像系統(tǒng)存在的系統(tǒng)像差以外,成像環(huán)境中的擾動也會導(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鏡提供全視場動態(tài)像差矯正的能力
 
  除此之外,元成像芯片還可以同時獲取深度信息,相比傳統(tǒng)光場成像方法,其在橫向和軸向都具有更高的定位精度,為自動駕駛與工業(yè)檢測提供了一種低成本的解決方案。
 
  該技術(shù)解決了長期以來的光學像差瓶頸,有望成為下一代通用像感器架構(gòu),而無需改變現(xiàn)有的光學成像系統(tǒng),帶來顛覆性的變化,將應(yīng)用于天文觀測、生物成像、醫(yī)療診斷、移動終端、工業(yè)檢測、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。
 
  (資料來源:科技日報)
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