清华大学考研，清华大学考研分数线2022
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摘要：光学像差，是对光学系统不完美程度的定量描述。如何实现无像差的完美光学成像一直是光学中最重要且仍悬而未决的难题之一。Science杂志也将“能否制造完美的光学透镜”列入21世纪125个科学前沿问题。
近日，清华大学成像与智能技术实验室提出了一种集成化的元成像芯片架构（Meta-imaging sensor），为解决这一百年科学难题开辟出新路径。
区别于构建完美透镜，该团队研制出一种超级传感器，可以记录成像过程而非图像本身，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，即使经过不完美的光学系统与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。
研究人员表示：“该技术有望实现于大部分像感器架构，无需改变现有的光学成像系统，带来颠覆性的变化，将用于天文观测、医疗诊断、生物成像、工业检测、移动终端、安防监控等具有高精度探测需求的复杂场景。”
日前，相关论文以《集成化成像芯片实现像差矫正三维摄影》（An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography）为题发表在 Nature 上。
亮点一：破除完美成像的“拦路虎”光学像差，有望解决光学像差这一百年难题
据介绍，传统光学系统主要为人眼所设计，保持着“所见即所得”的设计理念，聚焦于在光学端实现完美成像。
实际上，由于加工工艺的限制与复杂环境的扰动，难以制造出完美的成像系统。为解决这一难题，自适应光学技术应运而生。通过波前传感器，可以实时感知环境的像差扰动，借此给对应的光学像差做出动态矫正，从而保持完美的成像过程。然而，该技术仅能实现极小视场的高分辨成像，难以实现大视场多区域的同时矫正，且成本十分高昂。
近年来，数字化的高速发展催生了计算光学这一交叉学科，为先进成像系统设计提供了新的思路。
为了实现从完美透镜到完美成像的转变，受自然界中“涌现”现象的启发，课题组提出了元成像的新架构，攻克了超精细光场感知与超精细光场融合两大核心技术；实现了通过对光线的数字调制替代光学系统中的物理模拟调制，并将其精度提升至光学衍射极限，为解决光学像差这一百年难题打开了新局面。
亮点二：将所有技术集成在单个成像芯片上，可广泛用于几乎所有成像场景
为何说打破了新局面？这得从1908年说起，当年诺贝尔物理学奖得主加布里埃尔·李普曼（Gabriel Lippmann）首次提出模拟昆虫复眼的光场成像技术（又称集成成像），使用透镜阵列获取场景的多角度信息实现三维感知。
后来，斯坦福大学计算机图形学教授马克·勒沃伊（Marc Levoy）极大推动了基于微透镜阵列的光场成像，在计算机视觉与图形学领域的应用。
然而，从根本上，传统光场成像受到海森堡不确定性原理的限制，存在着空间分辨率与角度分辨率间的固有矛盾。因此，如何实现超精细的非相干光场感知，是这一领域的核心难点。
2021年受到昆虫复眼在光刺激时会产生高频振荡这一光致机械响应机制的启发，该团队提出了扫描光场成像原理，通过引入时-空-角耦合采样，绕过了海森堡不确定性的限制，在部分相干光下获取到了接近衍射极限的空间信息与角度信息，实现了光场的超精细感知。
然而，对于日常生活中最常见的非相干光而言，传统光电探测器仅能获得强度信息而缺乏相位信息，如何实现有效的孔径融合，从而将不同角度信息转换为空间分辨率，仍然是一个悬而未决的问题。
为解决这一问题，课题组充分利用了极小尺寸微透镜所带来的衍射效应，在每一个微透镜上加上了一层衍射编码，就像结构光成像一样，先将高频信息混叠在低频上再进行孔径分割，借此避免了空间分辨率的损失。
这就相当于为非相干光场添加了额外的相干性，即可实现同一镜头下的非相干光孔径合成，进而将光场融合的空间分辨率提升到衍射极限。
而在此次成果里，戴琼海团队将所有技术集成在单个成像芯片上，使之能广泛应用于几乎所有的成像场景，不需要对现有成像系统做额外的改造。
亮点三：单镜片十亿像素成像，天文观测湍流像差矫正视场直径从40角秒提升至1000角秒
事实上，元成像芯片与传统成像芯片、光场相机相比，带来的好处是：在数字端针对复杂光场进行操控时，可以完全媲美物理世界的模拟调制，就好像人们真正地在数字世界搬移每一条光线一样。
基于此，该团队建立了数字自适应光学架构，通过多角度信息实现了大视场多区域的快速像差估计，对所有光线进行重新搬移，进而实现完美聚焦。
至此，数字自适应光学将感知与矫正的过程解耦开来，能同时实现不同区域的像差矫正。
据该课题组介绍，元芯片的数字自适应光学能力有望带来成像系统的根本性改变。比如，高分辨率手机成像镜头即便使用复杂工艺也很难变薄，高端单反镜头又特别昂贵。
因为它们通常需要借助多个精密设计的多级镜片，来校正空间不一致的光学像差。而如果想推进到有效的一亿像素成像，对于传统光学设计来说几乎是一场“灾难”。
幸运的是，数字自适应光学技术的出现，让人们可以使用非常简易的光学系统实现高性能成像。研究人员表示：“利用元成像芯片，我们仅仅使用单个镜片就能实现十亿像素级别的宽视场高分辨率成像，而这在之前往往需要复杂庞大的成像系统。”
此外，成像环境中的扰动也会导致空间折射率的非均匀分布，从而引起繁杂多变的环境像差。其中最为典型的是大气湍流对地基天文望远镜的影响，这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，但是它设计繁琐、成本高昂，并且有效视野直径通常都小于40角秒。
而借助数字自适应光学技术，只需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。
为了验证其有效性，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，该团队将元成像芯片与传统成像芯片，进行了地月40万公里观测的实验对比。
结果显示，数字自适应光学方法能够实现1000角秒直径范围内的多区域动态像差矫正，显著提升了成像分辨率与信噪比，有望实现下一代高通量高分辨率地基光学巡天。
除了能实现复杂环境下、宽视场高分辨率大景深范围成像以外，元成像芯片还可同时获取高密度高分辨率的深度信息，在横向和轴向上都具有远高于传统光场相机的定位精度，可给自动驾驶与工业检测等场景，提供一种低成本、被动式、高通量的解决方案。
而在未来，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，有望研发新一代通用像感器架构，或可广泛用于天文观测、工业检测、移动设备、自动驾驶、安全监控、医疗诊断等。
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