新型图像传感器突破光学分辨率瓶颈
康涅狄格大学郑国安教授团队开发出一种无需传统透镜的图像传感器，实现了光学超分辨率成像。该技术灵感来自拍摄首张黑洞照片的射电望远镜阵列，通过多个传感器协同工作并计算融合观测数据，从而捕捉高精度图像细节。图像来源：康涅狄格大学
成像技术的演进极大地拓展了人类对宇宙的观测能力，从绘制遥远星系的射电地图，到解析细胞内部的微观结构。但光学成像领域仍面临一个基础性挑战：在不依赖厚重镜头或精密对准的前提下，如何实现高分辨率和宽视角的光学成像。
郑国安教授是康涅狄格大学生物医学工程系的教授，同时担任生物医学与生物工程创新中心（CBBI）的主任。他与团队的研究成果发表于《自然通讯》，提出了一种具有革命意义的光学成像解决方案，可能在科学、医学和工业领域引发深远影响。
郑国安教授指出，这项技术的核心在于解决一个长期存在的难题：合成孔径成像。这种技术最初用于天文学，例如事件视界望远镜拍摄黑洞图像，通过将多个独立传感器的测量数据进行相干结合，从而模拟出一个更大孔径的成像系统。
在射电波段，这种技术得以实现，主要因为射电波波长较长，便于传感器之间的精确同步。然而，当应用于可见光波段时，由于尺度显著缩小，传统同步方法几乎难以实现。
MASI如何突破光学限制
多尺度孔径合成成像仪（MASI）正是为应对上述挑战而设计。该系统不再依赖于高精度同步多个光学传感器，而是允许每个传感器独立采集数据，随后通过计算算法进行同步处理。
郑教授将其类比为多位摄影师同时拍摄同一场景，但所获取的并非常规图像，而是光波的原始测量数据。软件将这些独立数据融合，最终生成一幅超高分辨率的图像。
这一计算驱动的相位同步方法，消除了对物理干涉结构的依赖，而后者正是此前阻碍光学合成孔径系统在实际中广泛应用的主因。
MASI的成像机制
MASI在成像方式上与传统光学技术存在本质差异。它并不依赖透镜对光进行聚焦，而是使用一组编码传感器，这些传感器分布在不同的衍射平面上。
图示展示了MASI成像技术拍摄的弹壳图像。上方显示的是捕获的复杂电场，包括振幅（亮度）和相位（颜色）信息；下方则展示了基于该数据生成的三维重建图像，能够清晰呈现击针印痕——这是一种可将弹壳与特定枪支关联的特征。图像来源：康涅狄格大学
每台传感器记录的是光波与物体相互作用后传播的衍射图样，其中包含光的振幅与相位信息。通过计算算法，系统能够从原始数据中恢复出这些信息。
在完成单个传感器数据的波场恢复后，MASI进一步通过数值方法将波场反传至物体平面，并采用计算相位同步技术，逐步调整各传感器数据的相对相位差，以最大化重建图像的整体相干性与能量。
这种创新性的处理方式是MASI技术的核心：它通过软件优化波场的组合，而非依赖物理上对齐传感器，从而突破了传统光学和衍射极限的制约。
最终结果表明，MASI能够实现亚微米级分辨率的成像，并覆盖广阔的视场，且无需使用任何传统镜头。
MASI的潜力与优势
从显微镜到相机、望远镜，传统成像系统常常需要在分辨率与工作距离之间做出妥协。例如，提高分辨率通常意味着传感器必须更接近目标，这在很多应用中并不现实。
MASI技术彻底摆脱了对镜头的依赖，能够从数厘米外采集图像数据，并重建出亚微米级分辨率的图像。这种能力类似于在桌面上远距离观察一根头发的纹理，而无需将其贴近眼睛。
郑教授表示，MASI的潜在应用场景极为广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测以及遥感等领域。
“尤其引人注目的是其高度可扩展性。”他补充道，“与传统光学系统在规模扩大时呈指数增长的成本不同，MASI系统具备线性扩展能力，未来或许能够支持更大规模的阵列部署，实现当前尚未设想的成像应用。”
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。它通过计算手段解耦测量与同步过程，用软件控制的传感器阵列取代传统光学元件，为高分辨率、灵活且可扩展的成像技术开辟了全新路径。
更多详情可参见：Ruihai Wang 等，《多尺度孔径合成成像仪》，《自然通讯》(2025)。DOI：10.1038/s41467-025-65661-8
《自然通讯》