新型图像传感器打破光学成像瓶颈
康涅狄格大学郑国安教授领导的研究团队开发出一种无需透镜的图像传感器，实现光学超分辨率成像。这一创新设计灵感源自用于拍摄首张黑洞影像的射电望远镜阵列，通过多个传感器协同采集数据，并借助计算融合技术，以捕捉更丰富的图像细节。该成果由康涅狄格大学提供图像支持。
成像技术在人类探索宇宙和微观世界方面发挥了关键作用，无论是通过射电望远镜阵列绘制遥远星系，还是揭示细胞内部的复杂结构。然而，数十年来，光学成像在分辨率和成像范围方面始终受限于基本的物理边界——如何在不依赖厚重透镜或严格光学对准的前提下，实现高分辨率和宽视场成像。
近日，郑国安教授及其团队在《自然通讯》发表研究成果，推出一种颠覆性的解决方案，有望改变光学成像在科学、医学和工业应用中的传统模式。郑教授目前担任康涅狄格大学生物医学与生物工程创新中心主任，并隶属于该校工程学院。
郑教授指出：“本次突破的关键在于攻克一个长期存在的技术瓶颈。合成孔径成像技术——即事件视界望远镜捕捉黑洞图像所采用的方法——通过将多个独立传感器采集的数据进行相干整合，从而模拟出更大的成像孔径。”
在射电天文学中，这种技术的实现依赖于较长的波长，使传感器间的同步变得可行。然而，在可见光波段，波长大幅缩短，传感器间同步的精度要求极高，传统方法难以实现。
MASI如何突破光学限制
多尺度孔径合成成像仪（MASI）提出了一种全新的成像机制。它摒弃了对光学传感器严格同步的需求，转而允许每个传感器独立采集光信号，随后通过计算手段对数据进行同步处理。
郑教授将其类比为多位摄影师独立拍摄相同场景，但他们记录的不是普通的照片，而是光波的原始属性，再由软件将这些片段拼接为一张超高分辨率的合成图像。
该方法的核心在于计算相位同步，无需依赖传统干涉仪中必须使用的刚性结构。这种创新有效解决了光学合成孔径系统在实际部署中面临的物理限制。
MASI的成像原理与独特优势
MASI 与传统光学成像方法在两个关键方面存在差异。首先，它并不依赖透镜进行光路引导，而是使用多个分布在衍射平面上的编码传感器，分别采集不同区域的光信息。
MASI 成像技术拍摄的弹壳图像。上图显示了捕获的复杂电场，包括光波的振幅（亮度）和相位（颜色）信息。下图展示了基于这些数据重建出的三维图像，其中清晰可见击针痕迹。这类标记可用于追踪弹壳与特定枪支之间的关联。图像由康涅狄格大学提供。
每个传感器记录的是光波在与物体相互作用后形成的衍射模式，包含振幅与相位的完整信息。通过计算算法，这些数据被恢复并用于后续处理。
在完成波场的恢复后，系统进一步执行数值传播，将波前反演至物平面。随后，采用迭代计算相位同步算法调整各传感器之间的相位偏移，以优化整体重建的相干性与能量集中度。
这一关键步骤标志着 MASI 的核心创新：通过软件实现波场的组合优化，而非依赖硬件层面的传感器物理对准。这种策略使系统成功绕过衍射极限及其他传统光学法则的制约。
最终实现的效果是，通过多个传感器构成的虚拟合成孔径，系统可在无透镜情况下获得亚微米级分辨率，并支持宽场成像。
MASI的技术潜力与应用前景
无论是显微镜、相机还是望远镜，传统光学系统在提升分辨率的同时往往需要缩短物距，这在实际应用中可能造成侵入性或操作难度。
MASI 技术打破了这一限制，可在数厘米距离外采集光信号，并重建亚微米级图像。其成像能力可类比为在桌面距离下观察头发丝上的微小纹理，而无需将物体贴近镜头。
郑国安教授表示：“MASI 的应用场景十分广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测及遥感等多个领域。”
“尤其值得关注的是其扩展潜力。与传统光学系统随规模扩大而指数级增长的复杂度不同，MASI 可实现线性扩展，未来有望构建更大规模的阵列系统，实现当前尚未设想的成像能力。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）代表了光学成像领域的一次范式变革。它通过将测量与同步分离，采用软件控制的传感器阵列替代传统透镜，为高分辨率、灵活、可扩展的成像提供了全新路径。
更多信息可参考 Ruihai Wang 等人的研究论文《多尺度孔径合成成像仪》，发表于《自然通讯》，DOI: 10.1038/s41467-025-65661-8。
《自然通讯》