清华大学成功研制元成像芯片

门捷列夫曾经说过：“科学是从测量开始的。”光学成像拓展了人类的认知边界，推动了科学的进步，同时也广泛应用于生活的方方面面。然而受到不可避免的镜面加工误差、系统设计缺陷与环境扰动的限制，实际成像分辨率与信噪比往往显著低于完美成像系统。如何实现无像差的完美光学成像，一直是光学中最重要且悬而未决的难题之一。

记者从清华大学获悉，近日，该校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，为解决这一百年难题开辟了一条新路径。区别于构建完美透镜，研究团队另辟蹊径，研制了一种超级传感器，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透镜与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。

该成果近日以“集成化成像芯片实现像差矫正的三维摄影”为题以长文形式发表在《自然》期刊上。

光线经光学系统各表面传输会形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺陷。光学系统设计的一项重要工作就是校正这些像差，使成像质量达到技术要求。

传统光学系统主要为人眼所设计，秉持“所见即所得”的设计理念，聚焦在光学端实现完美成像。近百年来，光学科学家与工程师不断提出新的光学设计方法，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，来减小像差、提升成像性能。但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。

“例如，由于大范围面形平整度的加工误差，难以制造超大口径的镜片实现超远距离高分辨率成像；地基天文望远镜，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，限制了人类探索宇宙的能力，往往需要花费昂贵的代价发射太空望远镜绕过大气层。”研究团队负责人、中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海介绍。

为解决这一难题，自适应光学技术应运而生，人们通过波前传感器实时感知环境像差扰动，并反馈给一面可变形的反射镜阵列，动态矫正对应的光学像差，以此保持完美的成像过程。基于此，人们发现了星系中心的巨大黑洞。

然而，由于像差在空间分布非均一的特性，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，并且由于需要非常精细的复杂系统，往往成本十分高昂。

将所有技术集成在单个成像芯片上

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。

记者从清华大学获悉，早在2021年，该校自动化系戴琼海院士领导的成像与智能实验技术实验室研究团队发表于《细胞》期刊上的成果，就首次提出了数字自适应光学的概念，为解决空间非一致的光学像差提供了新思路。

在此次最新的研究成果中，研究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，而不需要对现有成像系统做额外改造，并建立了波动光学范畴下的数字自适应光学架构，通过对复杂光场的高维超精细感知与融合，在具备极大的灵活性的同时，又能保持前所未有的成像精度。

“这一优势使得在数字端对复杂光场的操控能够媲美物理世界的模拟调制，就好像人们真正能够在数字世界搬移每一条光线一样，将感知与矫正的过程完全解耦开来，从而同时实现不同区域的高性能像差矫正。”戴琼海说。

有望带来成像系统的颠覆性改变

研究人员进一步介绍，上述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。

传统相机镜头的成本和尺寸都会随着有效像素数的增加而迅速增长，这也是高分辨率手机成像镜头即使使用了非常复杂的工艺也很难变薄、高端单反镜头特别昂贵的原因。

戴琼海介绍，元成像芯片从底层传感器端为这些问题提供了可扩展的分布式解决方案，使得我们能够使用非常简易的光学系统实现高性能成像。

除了成像系统存在的系统像差以外，成像环境中的扰动也会导致空间折射率的非均匀分布，从而引起复杂多变的环境像差。其中最为典型的是大气湍流对地基天文望远镜的影响，从根本上限制了人类地基的光学观测分辨率。

数字自适应光学技术仅仅需要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。

此外，元成像芯片还可以同时获取深度信息，相比传统光场成像方法，其在横向和轴向都具有更高的定位精度，为自动驾驶与工业检测提供了一种低成本的解决方案。

戴琼海介绍，未来，课题组将进一步深入研究元成像架构，建立新一代通用像感器架构，或可广泛用于天文观测、工业检测、移动终端、安防监控、医疗诊断等领域。

（本报记者 邓晖）

清华大学研发出元成像芯片：摆脱EUV光刻机，多了条新路

日前，国内芯片领域传来了好消息：清华大学突破了光学像差难题，成功研制元成像芯片。芯片设计与制造领域可能有了一条全新的突围之路。

据中国科学院网消息称，清华大学成像与智能技术实验室研究团队提出了一种集成化的元成像芯片架构，并研发出了元成像芯片，该团队研制了一种超级传感器，纪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，即使尽管不完美的光学透镜，依然能够实现完美的三维光学成像。

据说减小光学像差是百年光学难题。光线经光学系统各表面传输会形成多种像差，使成像产生模糊、变形等缺陷。光学系统设计的一项重要工作就是校正这些像差，使成像质量达到技术要求，实现完美成像。

过去不少光学科学家与工程师都在尝试突破，但由于加工工艺的限制与复杂环境的干扰，难以制造出完美的成像系统。

据悉，这次研究成果中，研究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，而不需要对现有成像系统做额外改造，并建立了波动光学范畴下的数字自适应光学架构，通过对复杂光场的高维超精细感知与融合，在具备极大的灵活性的同时，又能保持前所未有的成像精度。

元成像芯片原理：来源Nature

根据中国工程院院士、清华大学自动化系教授戴琼海的说法是，这一优势使得在数字端对复杂光场的操控能够媲美物理世界的模拟调制，就好像人们真正能够在数字世界搬移每一条光线一样，将感知与矫正的过程完全解耦开来，从而同时实现不同区域的高性能像差矫正。

戴琼海教授还表示，元成像架构，建立新一代通用像感器架构，或可广泛用于天文观测、工业检测、移动终端、安防监控、医疗诊断等领域。

从中看出，元芯片的数字自适应光学能力，有望带来成像系统的变革。元成像芯片有望成为通用的芯片，应用到工业、移动终端、医疗等各个领域。

这意味着在智能手机等移动终端产品领域，也有望迎来另一种芯片替代方案。

摆脱EUV光刻机的依赖，国内外都在探索

在芯片领域，我们近年来说的最多的是国产替代，但国产替代的难题在于EUV光刻机的依赖。芯片制程只要进入7nm，所生产芯片用的晶元仪器就得使用荷兰ASML公司的EUV光刻机，因为EUV光刻机的制程精度是当下最高的，能有效提升高端芯片产品在生产过程中的良率，也只有EUV光刻机才能够对它进行大规模加工，增大产出效率。

但由于在这方面的基础底子落后，中国缺乏发展先进的晶片生产的先进技术，也很难掌握EUV光刻技术。

不仅中国，即便从全球角度来说，先进芯片制程都无法摆脱荷兰ASML光刻机的依赖，ASML对整个全球构成了绝对性的垄断地位，无论是中国，还是其他国家，如果围绕其原有路线去研发，要耗费巨大的成本，还有漫长的时间。

从目前来看，许多厂商都在另辟蹊径，试图寻找另一条替代EUV光刻技术的途径 ，以生产更先进的工艺。比如日本NIL量产技术、英特尔的新3D堆叠、多芯片封装技术以及俄罗斯的X光的光刻机技术等。

从国内来看，已经形成了两条路径，一条是Chiplet技术。一条是光子芯片。

传统SoC路线下，处理器、存储器、信号、电路模块全部集成到一个芯片上，Chiplet技术是通过先进封装技术，通过die-to-die将模块芯片和底层基础芯片封装组合在一起，像搭积木一样把许多小芯片（Chiplet）集成在一起，去实现集成以后的芯片系统。

Chiplet技术的目的是，通过新的连接形式，让10nm工艺制造出来的芯片，有望达到7nm芯片的集成度。

先进制程逼近物理极限，Chiplet可能是延续摩尔定律的重要手段。从目前的技术路径现实性角度考虑，Chiplet技术可能非常适合国内在芯片卡脖子背景下，实现弯道超车的一个技术路线。

此外是光子芯片。电子芯片是利用电子来生成、处理和传输信息的，光子芯片则是利用光子来生成、处理、传输并显示信息的。

光子芯片从材料到制造工艺，都和传统的电子芯片有很大的不同。不同于电子芯片侧重光刻环节，而光子芯片侧重外延设计与制备环节，而非光刻环节，光子芯片行业中，IDM模式是主流。

光子芯片类似一种光学材料革命，制造的原材料与技术路径已经变了，它的结构简单，光子芯片使用我国已相对成熟的原材料及设备就能生产，不再依赖EUV高端光刻机。

目前，国内首条“多材料、跨尺寸”的光子芯片生产线已在筹备，作为突围传统光刻机技术的一种新的芯片发展路线，光子芯片也颇为值得期待。

元成像芯片的想象空间

而从目前来看， 如今元成像芯片是否能成为一条摆脱传统光刻机成像模式的新路，也颇为值得期待。

从当前元成像芯片的原理来看，它与光刻机打造传统电子芯片的模式是不同的，它的模式更倾向于光学，与光子芯片是类似的路径，都是建立在光学技术的基础之上。

而元成像芯片又是一种新的光学设计方法——数字自适应光学。 它不仅适用于移动终端，还适用于工业领域、医学领域等诸多方面。这有点类似于操作系统领域一种升维模式——直接做出物联网操作系统，就相当于降维容纳了移动互联网操作系统。

从它的光学技术原理来看，元成像芯片或许不是沿着现有光刻机的路径去设计与制造的，笔者看来，作为一种三维光学成像技术，未来如果进入到产业应用阶段，有望应用到光刻机成像领域，走出一条新路。 我们知道，光刻机的原理本身也是与光学成像相关。

芯片制造商在使用光刻机生产芯片的时候，会首先把电路图压印在晶圆上，让电路图像在晶圆上成像，这时候就要靠光，类似底片的原理，透过紫外光把设计图缩小到芯片上 ，然后借助先进的量测系统和软件来检验这些图案，以提高芯片生产的精度与良率。这是一种二维成像技术。

打个形象的比喻，光刻的作用就是类似照相机照相，光刻机是放大的“单反” 。照相机拍摄的照片是印在底片上，而光刻刻的是电路图和其他电子元件，在晶圆上成像。

如今元成像架构本身是从底层传感器端对复杂广场的维超精细感知与融合，提供了可扩展的分布式解决方案，是一种三维光学成像，也可以说是一种新的“芯片照相技术” ——将所有的技术集成在单个成像芯片上，无视光线传播过程中所受到的干扰，它可以通过“搬动光线”来修正成像，是一种全新的成像模式，使得我们能够使用非常简易的光学系统实现高性能成像，可广泛用于几乎所有的成像场景。

我们知道，光刻机本身也涉及到复杂的光学成像镜头与光学系统， 一台光刻机的制造的三个核心零部件分别是工作台、光学镜头和光源技术，光刻机的镜头是由数十块独立的透镜及反射镜组合而成的复杂光学系统。

光刻机的复杂性让高质量光学系统的实现成为一项巨大的系统工程，它需要将光罩上的设计好集成电路图形通过光线的曝光印到光感材料上，形成图形。这个过程需要数以千计的传动装置能对每个透镜和反射镜组件精确的位置与方向进行细微调整，以确保每次都能在晶圆上获得完美的图案。

不过传统光刻机的局限性与短板也存在，即使用的高重复性、高能量的光脉冲会使光学系统升温，从而导致镜头变形。细微的变化仍然有可能制造出有缺陷的芯片。光学组件中的传动装置就是用来主动补偿这些透镜的热效应。

光刻机能清晰投影最小图像的能力，是光刻机最重要的技术指标之一。

我们从元成像芯片的原理来看，隐约能看到一条芯片设计与制造的新路， 元成像芯片是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透镜与复杂的成像环境，依然能够实现完美的三维光学成像。这是一种芯片成像技术的突破。

不过从目前来看，该技术距离产业化的路还比较远，未来该技术的应用走向如何还不能定论，但它是否能应用到光刻机的成像系统与原理之中，改变原有光刻机的成像模式，还有疑问，但依然也值得期待。

芯片领域的国产替代作为一条当前国内必须要走的路，也是一条非常艰难的谋求底层科技的自主之路。

在当前，我们非常欣喜的看到，目前国内的各种技术的探索在持续推进，自主可控的危机意识与科研的氛围比过去要明显更好，这无疑是颇为鼓舞人心的。

从Chiplet技术到光子芯片，再到元成像芯片，到底哪种技术模式会率先取得突破性进展？未来三到五年，可能会有答案，我们拭目以待。

作者：王新喜 TMT资深评论人 本文未经许可谢绝转载

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