新型图像传感器突破光学分辨率限制
康涅狄格大学郑国安教授的研究团队开发出一种创新图像传感器，可在无需透镜的情况下实现超分辨率光学成像。这一设备的设计理念源自事件视界望远镜阵列，通过多个传感器协作并结合计算成像算法，将观测数据融合，从而呈现出更高精度的图像。该技术由郑国安教授实验室研发，相关图像来自康涅狄格大学。
成像技术极大地拓展了人类对宇宙的认知，从远距离星系的射电映射到细胞层面的动态监测。然而，一个核心难题始终未被解决——如何在可见光波段实现高分辨率、大视场成像，而无需使用复杂透镜系统或对传感器进行极端对准。
郑国安教授及其团队在《自然通讯》上发表了最新研究成果，提出了一种突破性解决方案，有望重塑光学成像在科研、医学和工业领域的应用模式。
“关键在于解决一个长期存在的挑战。”郑教授指出，“合成孔径成像是事件视界望远镜拍摄黑洞图像的基础，它通过将多个传感器的测量数据相干融合，模拟一个更大的成像孔径。”
在射电天文学中，这种技术之所以可行，是因为射电波长较长，便于实现传感器间的同步。而在可见光范围内，由于波长更短、尺度更精细，传统同步方案在物理上几乎无法实现。
MASI如何突破光学成像瓶颈
多尺度孔径合成成像仪（MASI）为这一难题提供了全新思路。与以往要求传感器高度同步的方式不同，MASI允许每个传感器独立测量光信号，随后通过计算算法完成数据同步。
郑教授解释道，这种方式类似于多位摄影师独立拍摄同一场景，并不是以图像形式，而是以光波原始测量数据的形式进行采集，最终通过软件将这些数据融合成一张超高分辨率的图像。
这种基于计算的相位同步方案，避免了传统干涉仪对物理结构的依赖，从而解决了光学合成孔径系统难以大规模应用的技术障碍。
MASI的成像原理与创新
MASI与传统光学成像技术存在两点本质区别。首先，它不依赖透镜将光聚焦，而是采用一组编码传感器分布在光的衍射平面上。
MASI技术拍摄的弹壳图像显示，系统能够捕捉到复杂的电场信息，包括振幅（亮度）与相位（颜色）。通过三维重建，可以清晰呈现出击针印痕——这一独特特征可用于弹壳与特定枪支之间的溯源。图像来自康涅狄格大学。
每台传感器记录的是原始衍射图样，即光波与目标物体相互作用后的传播状态。这些数据包含了振幅与相位信息，后续通过计算算法加以还原。
在完成波场还原后，MASI会通过数值方法将波场“回传”至目标平面。随后，系统利用数字相位同步技术，迭代调整各传感器数据的相对相位偏移，以增强图像重建的整体一致性和能量集中。
这项计算相位同步技术是MASI的核心创新之一。它通过软件优化组合波场，而非依赖物理对准，从而突破了衍射极限与传统光学系统的限制。
最终结果表明，MASI可构建出比单个传感器更大的虚拟合成孔径，实现亚微米级分辨率，同时覆盖广域视场。
MASI的性能优势与未来前景
在传统成像系统中，镜头往往迫使设计者在分辨率与工作距离之间进行权衡。为了捕捉更小的细节，通常需要将镜头贴近目标，工作距离通常仅在毫米级别，这在许多应用场景中并不现实。
MASI则完全摆脱了镜头的限制，能够在数厘米外获取衍射图样，并重建出亚微米级分辨率的图像。这种能力类似于在桌面距离外观察一根头发的精细纹理，而无需将其贴至眼前。
“MASI的潜在应用广泛。”郑教授表示，“无论是在法医学、医学诊断，还是在工业质检和遥感领域，这项技术都可能带来变革。”
“更令人期待的是其可扩展性。与传统光学设备因规模扩大而呈指数级增长的复杂性不同，MASI系统的扩展呈线性增长，为未来大规模阵列成像提供了无限可能。”
MASI标志着光学成像的一次范式转变。它通过计算手段突破了物理光学的根本限制，将测量与同步解耦，以软件控制的传感器阵列取代了传统透镜系统，为高分辨率、灵活性与可扩展的成像技术开辟了新天地。
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》