新型图像传感器打破光学成像界限
康涅狄格大学生物医学工程教授郑国安领导的研究团队，成功开发出一种无需透镜的图像传感器，实现了光学超分辨率成像。这一突破性设计受到拍摄首张黑洞照片的事件视界望远镜阵列的启发，利用多个传感器协同采集数据，并通过计算融合，生成高精度图像。该技术已在《自然通讯》期刊发表，为光学成像开辟了全新路径。
光学成像的挑战与MASI的突破
尽管成像技术在过去几十年中经历了飞速发展，但光学成像仍面临一个核心难题：如何在不依赖厚重镜头或严格对准要求的前提下，获得高分辨率、大视场的图像。郑国安教授及其团队提出了一种创新方案——多尺度孔径合成成像仪（MASI），该设备通过计算手段同步多个传感器的原始数据，从而实现高分辨率成像。
与射电望远镜不同，可见光波段的波长极短，对传感器间的同步精度提出了极高要求。而MASI则采用计算相位同步方法，绕过了这一物理限制。每个传感器独立记录光波特性，随后通过算法重建整体图像，避免了传统干涉设备在物理结构上的复杂性。
MASI的工作原理与核心技术
MASI 的创新点在于其独特的成像机制。与传统光学系统依赖透镜聚焦不同，MASI 使用一组分布式编码传感器，分别位于衍射平面的不同位置。每台设备独立捕捉光波与目标物体作用后的衍射模式，包括振幅和相位信息。
这些原始数据随后被输入计算算法，进行数字填充并回推到目标平面。系统通过迭代优化各传感器的相对相位偏移，提高图像重建的相干性与能量密度。这种基于软件的同步方式，取代了传统对硬件精确对齐的依赖，从而突破了光学衍射极限。
作为实例，MASI 已成功拍摄弹壳图像，显示了击针印痕等微米级结构。这类信息在法医学领域具有重要意义，有助于将弹壳与特定枪支建立联系。
MASI的潜在应用与优势
传统成像系统普遍依赖透镜，而透镜的使用往往伴随着工作距离与分辨率之间的权衡。为了捕捉更精细的细节，必须将镜头尽可能靠近目标，这在许多实际场景中并不现实。
MASI 的无透镜设计改变了这一局限。它能够在数厘米距离内捕捉衍射图样，并重建亚微米分辨率图像，如同从桌面观察头发的细微结构。这种非侵入式的成像能力，使MASI在工业检测、医学诊断和遥感等领域具备广泛应用前景。
郑国安教授指出，MASI 的另一个显著优势在于其可扩展性。与传统光学系统因规模扩大而呈指数级增长不同，MASI 的性能可以随传感器数量线性提升，为构建更大规模的光学阵列提供了可能性。
多尺度孔径合成成像仪标志着光学成像从物理限制向计算驱动的范式转变。MASI 通过将测量与同步过程解耦，以软件控制的传感器阵列替代传统光学硬件，为高分辨率、灵活且可扩展的成像系统提供了全新方向。
研究详情
更多信息详见：《多尺度孔径合成成像仪》，《自然通讯》（2025）。DOI：10.1038/s41467-025-65661-8