多尺度孔径合成成像仪突破光学分辨率瓶颈
从宇宙深空的星系观测到生物细胞的微观结构，成像技术一直是探索未知的重要工具。尽管过去几十年中技术不断进步，但一个核心挑战始终未解：如何在不使用复杂光学组件的前提下，实现宽视场、高分辨率的光学成像。
康涅狄格大学生物医学工程教授、CBBI（康涅狄格大学生物医学与生物工程创新中心）主任郑国安领导的研究团队，在《自然通讯》上发表了一项具有里程碑意义的研究成果。他们的创新性解决方案有望重塑光学成像在科研、医疗和工业中的应用方式。
郑国安教授指出，这项技术的关键在于克服一个长期存在的问题。合成孔径成像——这一方法被用于拍摄首张黑洞照片的事件视界望远镜——通过将多个独立传感器的数据进行相干融合，模拟出一个更大口径的成像系统。
在射电波段，该方法之所以可行，是因为射电波波长较长，便于实现传感器间的精确同步。然而，在可见光波段，由于尺度缩小多个数量级，传统同步技术在物理上难以实现。
MASI的技术突破
多尺度孔径合成成像仪（MASI）正是为解决这一问题而设计。与传统系统不同，MASI并不要求所有传感器在物理上严格同步，而是允许每个传感器独立采集数据，随后通过计算算法实现同步。
这类似于多位摄影师从不同角度拍摄同一场景，并非直接生成照片，而是记录原始的光学信号，再由软件将这些数据拼接为一张超高分辨率图像。
这种基于计算的相位同步方法，消除了对刚性干涉系统的依赖。而正是这种干涉系统，长期以来限制了光学合成孔径技术的实际应用。
MASI的成像机制
MASI在多个方面与传统成像系统截然不同。它不依赖透镜来聚焦光线，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。
每台传感器都捕捉光波与目标物体相互作用后产生的衍射图样。这些数据包含光波的振幅与相位信息，通过计算可以被恢复。
在完成波场恢复后，MASI系统对数据进行数字填充，并通过数值方法将其逆向传播回物体平面。接着，通过迭代调整相位偏移，系统实现了高一致性图像重建。
该过程的核心在于，MASI不是依靠物理对准，而是通过算法优化传感器数据的组合，从而突破传统光学的衍射极限。
其结果是，系统能够实现亚微米分辨率与宽视场成像，而无需传统镜头的支持。
MASI的应用前景
传统成像系统中，镜头常常迫使设计者在分辨率与工作距离之间做出妥协。例如，为提高分辨率，镜头必须靠近被摄物体，通常仅为几毫米，这在某些应用中并不现实。
MASI技术则完全摆脱了这一限制。它能够在数厘米之外采集光波数据，并重建出亚微米级的图像。这种能力，使得它能在不接触目标的情况下，实现高精度成像。
郑国安教授强调，MASI在多个领域都有广泛的应用前景，包括法医学、医学诊断、工业检测和遥感等。
“尤其值得关注的是它的可扩展性——与传统光学系统在规模扩大时呈指数级增长的复杂性不同，MASI能够实现线性扩展，未来或将支撑更大规模的传感器阵列应用。”
MASI代表了光学成像的一次范式变革。它通过将测量与同步分离，以软件控制的传感器阵列取代传统光学系统，从而开辟了一个全新的高分辨率成像技术方向。
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