新型图像传感器突破光学成像的物理边界
康涅狄格大学郑国安教授团队开发了一种无需镜头的图像传感器，实现了光学超分辨率成像。该设计灵感源自事件视界望远镜阵列，利用多传感器协同采集与计算融合，显著提升了图像细节的捕捉能力。
图片来源：康涅狄格大学
成像技术的发展极大地拓展了人类对微观与宏观世界的认知边界，无论是通过射电望远镜阵列描绘遥远星系，还是深入解析活细胞内部的结构，光学成像始终扮演着关键角色。然而，即便技术持续进步，光学波长范围内的高分辨率广角成像仍面临物理层面的限制——特别是在避免使用复杂透镜系统或高精度对准机制的情况下。
康涅狄格大学生物医学工程教授郑国安及其团队在《自然通讯》上发表的最新研究，提出了一种革命性的解决方案。这项技术有望重塑科学、医疗和工业领域的光学成像方式。
郑教授指出，核心挑战在于解决光学合成孔径成像的难题。尽管在射电天文学中，通过多站点干涉可实现高分辨率观测，但可见光波段因波长更短、尺度更小，对传感器同步提出了极高的物理要求，使传统方法难以实现。
MASI如何打破光学成像障碍
多尺度孔径合成成像仪（MASI）提供了一种全新的思路。与传统方法不同，MASI无需将多个光学传感器严格同步，而是允许每个传感器独立采集光信息，随后通过算法实现数据同步。
这种设计类似于多位摄影师分别记录同一场景的光波特性，而非普通图像，最终由软件将这些数据融合，生成超高分辨率图像。这种方式大幅降低了硬件复杂度，同时提升了图像质量。
MASI通过计算相位同步替代了传统干涉所需的刚性结构，成为光学合成孔径系统走向实用化的关键一步。
MASI独特的成像机制
MASI在成像原理上与传统光学系统存在根本区别。它不依赖透镜聚焦光束，而是使用一组分布在不同衍射平面上的编码传感器。
MASI成像技术拍摄的弹壳图像。上方展示了包含振幅和相位信息的复杂电场，下方则为三维重建结果，清晰显示出击针痕迹，可用于弹壳与武器之间的关联分析。
图片来源：康涅狄格大学
每台传感器采集的是光波与物体相互作用后传播的衍射图样，其中包含了振幅与相位信息。这些数据随后通过算法进行恢复和处理。
系统首先对每个传感器采集的波场进行数字填充，再通过数值方法将波场回溯至物平面。在这一过程中，计算相位同步技术被用来动态调整各个传感器数据的相位偏移，以增强图像的相干性与能量。
这一创新方法使得MASI无需物理对准即可在软件层面实现高精度的波场合成，从而突破衍射极限，实现亚微米级分辨率和大视场成像。
MASI的优势与未来应用潜力
传统光学系统通常需要在分辨率与工作距离之间进行权衡。为了捕获更小的细节，光学器件必须靠近目标，这在某些场景下限制了实用性。
MASI则完全摒弃了透镜，可以在数厘米外捕捉衍射图样，并重建亚微米级分辨率的图像。这相当于在桌面上观察一根头发的微小纹理，而无需将其贴近眼睛。
该技术的潜在应用范围广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测和遥感等领域。郑国安教授表示，MASI的可扩展性尤为突出——随着阵列规模扩大，其性能提升呈线性增长，而非指数衰减，为未来大型光学阵列应用提供了可能性。
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。它通过软件驱动的计算成像取代传统光学组件，突破了物理限制，开辟了高分辨率、高灵活性且高度可扩展的新一代成像路径。
更多信息：《多尺度孔径合成成像仪》，作者：李海旺 等人，发表于 《自然通讯》（2025），DOI：10.1038/s41467-025-65661-8