清華大學在計算成像方向獲新進展

17世紀初，人類開始將觀測儀器指向遙遠的宇宙，希望捕獲穿越千年的光子，接收遙遠星河傳來的訊息。然而，大氣湍流猶如漂浮在空中的透明幽靈，干擾著光子的前進，遮掩宇宙初期的秘密。1964年，美國物理學家理查德·費曼（Richard Feynman）指出，“湍流是經典物理學中最重要的未解決問題之一”。大氣湍流這一高度混沌系統(tǒng)，是湍流中最難以被捕獲的存在之一，其運動模式具有極強的隨機性，難以精確建模、探測和預測。

清華大學電子工程系方璐團隊與自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏副教授團隊開展交叉合作，提出了計算光場新原理，建立數(shù)字自適應光學模型，研制了廣域波前計算傳感芯片（Wide-field WavefrontSensor, WISE），實現(xiàn)了超1100角秒（對角線）范圍的大氣湍流實時探測和預測。該成像技術具備大視場、高分辨、強魯棒等優(yōu)勢，感知范圍相比廣泛使用的夏克-哈特曼波前傳感器提升了近千倍。WISE芯片的探測視場等價于成百上千個波前傳感器的總和，可廣泛應用于現(xiàn)有光學系統(tǒng)，賦能大氣湍流的廣域探測和預測，修正大氣湍流擾動，實現(xiàn)大范圍光信號的高效采集與精準重建。

大氣湍流廣域波前傳感芯片概念圖

課題組深入探究大氣湍流的物理本質，其對于光子的操縱來自于非均勻折射率帶來的傳播角度偏折。因此，空間-角度四維光場的高精度采集與重構可以揭示高維角度域中隱藏的湍流信息，進而打破廣域大氣湍流觀測壁壘。相比傳統(tǒng)自適應光學采用的夏克-哈特曼波前傳感器，WISE能夠捕獲更大視場范圍內的空間非一致湍流信息，此優(yōu)勢是由系統(tǒng)架構決定的。自適應光學的夏克-哈特曼波前傳感器在共軛光瞳平面上實現(xiàn)直接孔徑分割，其空間采樣受限，只能探測一定視場范圍內的平均波前。WISE則采用間接孔徑分割方案，配置分布式微型透鏡陣列，每個微透鏡從不同的視場方向記錄入射光子角度的信息，從而有效地最小化串擾，捕獲更大視場范圍內的空間非一致湍流信息。

基于WISE芯片的大氣湍流觀測系統(tǒng)示意圖