革新性图像传感器突破光学极限
康涅狄格大学郑国安教授团队研发出一种无需透镜的新型图像传感器，实现了光学超分辨率成像。该传感器设计灵感来源于拍摄首张黑洞照片所使用的望远镜阵列技术，通过多个传感器协同作业并计算融合数据，达到捕捉更精细图像的目的。图片来源：康涅狄格大学
成像技术在过去几十年中极大地拓展了人类对自然界的认知，从远距离探测星系到解析活体细胞内部结构。然而，一个长期未解的核心问题仍然存在：如何在不依赖传统透镜或复杂对准机制的前提下，于可见光范围内实现高分辨率广角成像。
康涅狄格大学生物医学工程系教授、生物医学与生物工程创新中心（CBBI）主任郑国安及其研究团队，在《自然通讯》上发表了一项突破性研究成果，提出了一种可能重塑科学、医学与工业成像方式的新技术。
郑国安教授指出，传统合成孔径成像技术，例如在事件视界望远镜中用于拍摄黑洞影像的方法，其核心在于通过多个独立传感器的相干测量来模拟更大的成像孔径。
在射电波段，这种方法之所以可行，是因为较长的波长使得传感器之间的同步更容易实现。然而，在可见光波段，由于尺度缩小多个数量级，实现物理层面的同步几乎无法完成。
MASI如何突破光学壁垒
多尺度孔径合成成像仪（MASI）正是为应对这一挑战而设计。与依赖传感器间高度同步的传统方法不同，MASI允许每个传感器独立采集光信息，随后通过计算算法完成数据同步。
郑教授将这一过程比作多位摄影师从不同角度拍摄同一场景，不是得到单独的照片，而是收集光波的原始测量数据，再通过软件将这些数据拼合成一幅超高分辨率图像。
这种基于计算的相位同步机制，去除了对刚性干涉结构的依赖，而后者曾是光学合成孔径系统难以广泛部署的主要瓶颈。
MASI的创新成像机制
MASI与传统光学成像在两个方面存在显著差异。它不使用透镜来聚焦光线，而是采用一组分布于不同衍射平面的编码传感器。
MASI成像系统所拍摄的弹壳图像。上图展示了复杂电场中的振幅与相位信息，下图则是基于该数据构建的微米级分辨率三维重建，清晰可见击针印痕。该信息可用于将弹壳与特定枪支关联。图片来源：康涅狄格大学
每个传感器记录的是光波在与物体相互作用后的衍射图样，这些图样包含了振幅和相位的关键信息，可以由计算算法提取。
在恢复各传感器的完整波场信息后，系统将这些波场进行数字填充，并通过数值方法将其传播至目标物平面上。随后，通过计算相位同步方法优化各个传感器数据之间的相位偏移，从而提升最终图像的相干性和能量。
这一算法创新成为MASI技术的核心价值：它通过在软件层面优化波场合成，而非依赖物理传感器的精密对准，成功突破了光学衍射极限。
最终效果是，MASI实现了亚微米级分辨率成像，并且无需使用传统镜头，同时支持广阔的视场。
MASI的潜在优势与应用前景
传统光学设备如显微镜、相机或望远镜，通常需要在成像分辨率和工作距离之间做出折中。分辨率越高，成像距离通常越近，限制了其在许多实际场景中的适用性。
MASI技术摆脱了传统透镜的束缚，能够在几厘米的距离上捕获光波，并重建出亚微米级的高分辨率图像。这就好比从桌面远处就能看清一根头发的微小纹理，而无需将其贴近眼睛。
郑国安表示，MASI在多个领域都具有广泛的应用前景，包括法医学、医学成像、工业检测和遥感等。
“更令人振奋的是其可扩展性。”他补充道，“与传统光学系统在规模扩大时呈指数增长的复杂度不同，MASI具备线性扩展能力，未来或许能实现我们目前尚无法想象的大规模阵列应用。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）标志着光学成像领域的一次范式转变。它通过将测量与同步分离，并用软件控制的传感器阵列取代传统光学元件，开创了灵活、高分辨率和可扩展的成像新纪元。
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》