傳統(tǒng)相機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成像鏡頭即使使用了非常復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計與加工的多級鏡片來校正空間不一致的光學像差，而如果想進一步推進到有效的十億像素成像對傳統(tǒng)光學設計來說幾乎是一場災難。元成像芯片從底層傳感器端為這些問題提供了可擴展的分布式解決方案，使得我們能夠使用非常簡易的光學系統(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)字自適應光學實現(xiàn)了十億像素高分辨率成像，將光學系統(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)境中的擾動也會導致空間折射率的非均勻分布，從而引起復雜多變的環(huán)境像差。其中最為典型的是大氣湍流對地基天文望遠鏡的影響，從根本上限制了人類地基的光學觀測分辨率，迫使人們不得不花費高昂的代價發(fā)射太空望遠鏡，比如價值百億美元的韋伯望遠鏡。硬件自適應光學技術雖然可以緩解這一問題并已經(jīng)被廣泛使用，但它設計復雜、成本高昂，并且有效視野直徑通常都小于40角秒。數(shù)字自適應光學技術僅僅需要將傳統(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。研究團隊在中國國家天文臺興隆觀測站上的清華-NAOC 80厘米口徑望遠鏡上進行了測試，元成像芯片顯著提升了天文成像的分辨率與信噪比，將自適應光學矯正視場直徑從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，課題組將進一步深入研究元成像架構，充分發(fā)揮元成像在不同領域的優(yōu)越性，建立新一代通用像感器架構，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-伯克利深圳學院2020級博士研究生郭鈺鐸、自動化系博士后鄧超擔任共同第一作者。自動化系喬暉助理教授以及清華-伯克利深圳學院2018級博士研究生張安科、清華大學自動化系2018級博士研究生盧志、清華大學自動化系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