新型图像传感器突破光学极限
康涅狄格大学郑国安教授领导的团队开发出一种创新图像传感器，能够在无需使用透镜的情况下实现超分辨率成像。这种设备的设计灵感源自拍摄首张黑洞影像的事件视界望远镜阵列，它采用多个传感器协同采集数据，并通过算法融合，从而呈现出更清晰的图像。图片来源：康涅狄格大学
从射电望远镜对遥远星系的成像，到显微镜对活体细胞的观察，成像技术不断拓展人类对微观与宏观世界的认知边界。然而，光学波段内高分辨率广角成像始终面临一个核心挑战——如何在避免使用笨重光学组件或对准限制的前提下，实现高质量的成像。
郑国安教授，同时也是康涅狄格大学生物医学与生物工程创新中心（CBBI）的主任，与他的研究团队在《自然通讯》杂志上发表了一项研究成果，展示了一种有望重塑光学成像格局的新方法，该技术有望在科学、医学和工业领域带来深远影响。
郑教授指出，这一突破的核心源于合成孔径成像技术——该技术已被用于拍摄黑洞影像。其原理在于将多个传感器的测量数据进行相干整合，从而模拟出一个更大尺寸的成像孔径。
在射电天文学中，由于射电波波长较长，传感器间实现高精度同步较为容易。但在可见光波段，波长显著减小，使得传统同步方法难以满足实际需求。
MASI 如何克服光学挑战
多尺度孔径合成成像仪（MASI）通过创新性设计，有效解决了这一难题。与传统方法不同，MASI 不要求多个光学传感器在物理层面实现纳米级的同步，而是允许每个传感器独立进行光学测量，并在计算层面实现数据同步。
郑教授将其类比为多位摄影师拍摄同一场景，但他们捕捉的是光波的原始测量数据，而非常规照片，随后利用软件将这些数据拼合成超高分辨率图像。
这种基于算法的相位同步方案，去除了传统光学系统中对刚性干涉结构的依赖——这正是阻碍光学合成孔径系统广泛应用的关键瓶颈。
MASI 的独特成像机制
MASI 与传统光学成像在两个方面存在本质区别。它不依赖透镜对光进行聚焦，而是采用一组分布在不同衍射平面上的编码传感器。
MASI 成像系统拍摄的弹壳图像展示了其卓越性能。上图呈现的是包含振幅和相位信息的复杂电场数据，而下图则显示了三维重建结果，清晰呈现了弹壳上的击针痕迹——这一特征可将弹壳与特定枪支进行匹配。图片来源：康涅狄格大学
每个传感器所获取的是光波与物体相互作用后的衍射图像，这些图像包含振幅和相位信息，可用于后续的算法处理。
在完成数据恢复后，系统会利用数值方法将波场反向传播回物平面，并通过计算相位同步技术逐步修正各传感器数据间的相位偏差，以提升整体的相干性和成像质量。
这一计算同步方法是 MASI 的关键创新点。它通过软件优化传感器阵列所捕获的波场，而非依赖于物理对准，从而突破了传统光学系统的衍射极限。
最终的成像结果表明，MASI 所构建的虚拟孔径远超单个传感器，其无需透镜便能实现亚微米分辨率和宽视场覆盖。
MASI 的优势与应用前景
无论是显微镜、相机还是望远镜，传统光学系统始终需要在成像分辨率与工作距离之间进行妥协。为了获得更高的分辨率，往往需要将镜头靠近目标，通常在几毫米以内，这在一些应用场景中限制了灵活性。
MASI 技术摆脱了光学镜头的束缚，能够在数厘米外的远距离采集高质量衍射图像，并重建出亚微米级分辨率的图像。这就好比在桌面上观察一根头发的细微纹理，而不需要将其靠近眼睛。
郑国安教授表示，MASI 的应用潜力极为广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测以及遥感等多个领域。
“尤其值得关注的是 MASI 的可扩展性。”他补充道，“与传统光学设备在扩展时呈指数增长的复杂度不同，MASI 的系统复杂度呈线性增长，为构建大规模传感器阵列打开了新的可能性。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）代表了光学成像技术的一次重大转变。通过将光学测量与同步解耦，并利用软件驱动的传感器阵列替代传统光学元件，MASI 为高分辨率、灵活、可扩展的成像开辟了全新路径。
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》