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突破光學(xué)像差世界難題新路徑,！清華團(tuán)隊(duì)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(diǎn)擊量：4551
近日，清華大學(xué)戴瓊海院士帶領(lǐng)的自動(dòng)化系成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目成果】在光學(xué)中,，像差是光學(xué)系統(tǒng)(如透鏡)的一種特性，它使光擴(kuò)散到空間的某個(gè)區(qū)域而不是聚焦到一點(diǎn),。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(xué)系統(tǒng)所成的像與近軸光學(xué)所成像的偏差,。在成像系統(tǒng)中,，當(dāng)物體的某一點(diǎn)的光通過系統(tǒng)后未會(huì)聚到(或不發(fā)散)某一點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象,。
光學(xué)成像拓展了人類的認(rèn)知邊界,，推動(dòng)了科學(xué)的進(jìn)步，同時(shí)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(jì)缺陷與環(huán)境擾動(dòng)的限制,，實(shí)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(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),。
近日，清華大學(xué)戴瓊海院士帶領(lǐng)的自動(dòng)化系成像與智能技術(shù)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)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(tuán)隊(duì)另辟蹊徑,，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,。
早在2021年，研究團(tuán)隊(duì)就首次提出了數(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,。在此次最新的研究成果中，他們將所有技術(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景,，而不需要對(duì)現(xiàn)有成像系統(tǒng)做額外改造,，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。
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。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(dòng)態(tài)像差矯正的能力,。
除此之外，元成像芯片還可以同時(shí)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(dòng)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(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、生物成像,、醫(yī)療診斷,、移動(dòng)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(bào))
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