元成像解题像差困境，多元布局助推原创成像技术启航

2022年10月19日，戴琼海院士、吴嘉敏、乔晖等9位来自清华大学的科研专家在《Nature》上发表题为“An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography”的研究论文，该研究提出了一种集成化的元成像芯片架构，在不改变现有光学成像系统及复杂成像的条件下，依然能够实现完美的三维光学成像。

该项技术有望直接应用于所有像感器架构，应用场景广泛，且由于其极高的技术壁垒，目前仅有元潼拥有此项技术专利，也是全球唯一一家元成像技术成果转化公司，在研发水平、成本控制、产业适配性上均表现出显著优越性。

自18世纪光学成像系统诞生至今，光学成像的演进已历经四次革命，人类获取图像的方式迎来了从单纯依赖传统光学器件到计算光学成像的重大升级。纵观光学发展史，不难看到光学在不同时代背景下不容小觑的创新性、成长性和可塑性。

以手机摄像头为例，几乎每隔2-3年都会有至少一次的革命性创新，各手机厂商不断提高产品研发迭代效率，不仅提高了拍摄画质，还拓宽了手机的应用场景。

但同时，光学成像仍然是高壁垒行业，高质量模具、镜片的设计制造难度极高；更重要的是，受到不可避免的镜面加工误差与环境扰动的限制，使实际成像分辨率与信噪比往往明显低于完美成像系统。如何克服像差限制一直是构建完美光学系统最重要的阻碍之一，是光学成像难以跨越的鸿沟。

无论在极小的显微环境下，还是在广阔的巡天领域，像差都是广泛存在的，而像差的存在极大制约着成像结果的有效像素数量。

近百年来，光学科学家与工程师不断提出新的设计方法，为不同成像系统定制复杂的多级镜面、非球面与自由曲面镜头，以减小像差、提升成像性能。但受限于加工工艺与环境扰动干扰，完美成像仍然是光学行业探索和努力的方向。

以地基天文望远镜为例，受到动态变化的大气湍流扰动，实际成像分辨率远低于光学衍射极限，由此便限制了人类探索宇宙的能力。

为破解百年像差难题，元潼联合清华大学成像与智能技术实验室研究团队，展开元成像芯片架构相关技术研发工作。该架构采用新一代计算光学方案，通过实现对非相干复杂光场的超精细感知与融合，提升成像系统性能以逼近衍射极限，即使不改变现有光学成像系统，或是处在复杂的成像环境中，依然能够实现完美的三维光学成像，带来性能上的颠覆性提升。

从左至右：普通成像芯片、传统光场成像、元成像芯片（无DAO），元成像芯片（含DAO）结果对比

图源：Wu, J., Guo, Y., Deng, C. et al. An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography. Nature (2022)

元成像芯片实现了对复杂光场的高维超精细感知与融合，在波动光学的尺度上完整记录了整个成像过程而非图像本身，在具备极大灵活性的同时，又能保持前所未有的成像精度。这一特质极大提高了对复杂光场的操控能力，好比我们可以随意驱使数字世界的每一条光线。

基于此，研究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，在非相干孔径合成的过程中重新搬移每一条光线，从而能够同时实现不同区域的像差矫正。

元芯片不仅在技术上带来颠覆性的改变，更在成本、体积以及产业适配性上有望打通大规模商业化阻碍。

一般而言，传统相机镜头的成本及尺寸都会随着有效像素数的增加而迅速增长，因为它们通常需要多个精密设计与加工的多级镜片来校正光学像差，由此导致多数有着成本考虑的消费者对高分辨率成像镜头手机或高端单反相机望而却步。

元成像技术不仅能够让简易光学系统实现高性能成像成为可能、显著提升有效成像景深，同时也在成本及体积上遥遥领先，技术优势叠加多重场景适配性，或将成为大规模商业化的制胜关键。

人类自身需要看见世界、观察世界，我们也希望赋予机器更智慧的眼睛。从对成像有高质量要求的天文观测、航天遥感设备，到对体积敏感的工业检测、医疗诊断、安防监控设备，再到同时对成像质量、体积及成本都存在较高要求的自动驾驶、消费电子行业，元潼广泛布局，将继续秉持着“打造全球领先的元视感知芯片”的理念，加速渗透元成像在不同领域的优越性，将人眼拟态传感和AI视觉解决方案做到极致，领跑下一代计算光学成像技术。

参考资料：Wu, J., Guo, Y., Deng, C. et al. An integrated imaging sensor for aberration-corrected 3D photography. Nature (2022).    原文阅读：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05306-8