新型图像传感器实现光学分辨率的跃升
成像技术在过去几十年里显著提升了我们对宇宙和微观世界的认知。从射电望远镜阵列描绘遥远星系，到显微镜揭示细胞内部结构，技术的进步不断突破物理边界。但至今仍存在一个关键挑战：在不依赖大型镜头或严苛对准条件的情况下，如何在可见光波段实现高分辨率、广角成像。
康涅狄格大学生物医学工程教授、生物医学与生物工程创新中心 (CBBI) 主任郑国安，联合其研究团队在《自然通讯》上发表了一项突破性研究，提出了一种全新的成像系统，可能重塑光学成像在科学、医学与工业应用中的格局。
合成孔径成像技术是此次研究的关键基础。该技术通过整合多个独立传感器采集的数据，模拟出等效于大孔径的成像系统，这一方法正是事件视界望远镜拍摄黑洞照片的原理。
在射电天文学中，由于射电波波长较长，传感器间的同步相对容易实现。而在可见光波段，由于波长显著缩短，传统的同步方法难以在物理上实现纳米级的精度。
MASI如何突破光学限制
多尺度孔径合成成像仪（MASI）为这一难题提供了全新解法。与传统方式不同，MASI并不强制多个光学传感器严格同步，而是允许各传感器独立采集光线信息，随后通过计算方法实现数据同步。
郑国安教授将其类比为多位摄影师拍摄同一场景，但并非拍摄普通图像，而是记录光波的物理特性，再由软件将这些数据融合，生成超分辨率图像。
这种计算驱动的相位同步方法，省去了传统干涉系统中所需的刚性结构，而正是这类结构限制了光学合成孔径系统的实际应用。
MASI成像方法的独特性
MASI在两个方面与传统光学成像技术截然不同。首先，它不再依赖透镜进行光聚焦，而是通过部署多个编码传感器，分布在不同的衍射平面上。
每台传感器捕获的是光波与物体相互作用后的衍射图样，其中包含振幅和相位信息。这些信息通过计算算法进行解析和恢复。
当所有传感器的波场数据恢复后，系统会对其进行数字填充，并通过数值方法将其传播回物体平面。随后，采用相位同步算法逐步调整各传感器之间的相对相位偏移，以实现图像重建的最大相干性与能量。
这一过程是MASI的核心创新：它通过软件优化传感器数据的组合方式，而非依赖物理对齐，从而突破了衍射极限及其他光学固有约束。
最终效果是显著的：MASI实现了亚微米级分辨率，并具备广角覆盖能力，且完全不依赖透镜。
MASI的技术优势与应用前景
传统成像系统中，镜头设计往往需要在分辨率、工作距离与系统复杂度之间作出取舍。为了捕捉更小的细节，镜头必须非常靠近目标，通常仅限于几毫米，这限制了应用灵活性。
MASI技术则摆脱了透镜依赖，可在数厘米外采集衍射数据，并重建亚微米级高分辨率图像。这相当于在桌面距离之外就能看清一根头发的细节，而无需将物体贴近观察。
该技术的应用潜力十分广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测及遥感等多个领域。
“MASI最大的优势在于其可扩展性，”郑国安教授表示，“与传统光学系统不同，MASI的性能可随系统规模线性增长，这为未来更大型阵列的开发提供了可能。”
MASI代表了光学成像的一次范式转变。通过将测量与同步过程解耦，并用软件控制的传感器阵列取代传统镜头，MASI在高分辨率、灵活性和扩展性方面开辟了新路径。
更多信息：Ruihai Wang 等人，《多尺度孔径合成成像仪》，《自然通讯》(2025)。DOI：10.1038/s41467-025-65661-8
期刊信息：《自然通讯》