傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭的成本和尺寸都會隨著有效像素數(shù)的增加而迅速增長，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。因為它們通常需要多個精密設(shè)計與加工的多級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傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)計來說幾乎是一場災(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易的光學(xué)系統(tǒng)實現(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數(shù)量級以上。

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。其中最為典型的是大氣湍流對地基天文望遠(yuǎn)鏡的影響，從根本上限制了人類地基的光學(xué)觀測分辨率，迫使人們不得不花費(fèi)高昂的代價發(fā)射太空望遠(yuǎn)鏡，比如價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)鏡提供全視場動態(tài)像差矯正的能力。研究團(tuán)隊在中國國家天文臺興隆觀測站上的清華-NAOC 80厘米口徑望遠(yuǎn)鏡上進(jìn)行了測試，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40萬公里地月觀測實驗

元成像芯片還可以同時獲取深度信息，比傳統(tǒng)光場成像方法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。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、工業(yè)檢測、移動終端、安防監(jiān)控、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域。

該成果于10月19日以“集成化成像芯片實現(xiàn)像差矯正的三維攝影”（An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography）為題以長文（Article）的形式發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。

清華大學(xué)自動化系戴瓊海院士、電子系方璐副教授為該論文共同通訊作者；自動化系吳嘉敏助理教授、清華-伯克利深圳學(xué)院2020級博士研究生郭鈺鐸、自動化系博士后鄧超擔(dān)任共同第一作者。自動化系喬暉助理教授以及清華-伯克利深圳學(xué)院2018級博士研究生張安科、清華大學(xué)自動化系2018級博士研究生盧志、清華大學(xué)自動化系2020級博士研究生謝佳辰共同參與了該研究。該研究受到了國家自然科學(xué)基金委與國家科技部的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8