新型图像传感器突破光学成像极限
康涅狄格大学郑国安教授的团队开发出一款无需透镜的图像传感器，实现了光学超分辨率成像。该设计灵感来自拍摄首张黑洞影像的事件视界望远镜阵列。该设备通过多传感器协同采集并计算融合数据，从而捕捉到更丰富的图像细节。
图片来源：康涅狄格大学
从射电望远镜绘制遥远星系到显微镜揭示细胞结构，成像技术已深刻影响了人类对世界的认知。然而，尽管光学领域持续创新，一个核心难题仍未解决：如何在不依赖厚重镜头或严格对准的前提下，实现高分辨率且宽视场的可见光图像。
来自康涅狄格大学生物医学工程系的郑国安教授，以及其领导的工程学院研究团队，在《自然通讯》上发表了一项突破性研究。他们提出了一种可能改变科学、医疗和工业成像方式的新型图像采集方法。
郑教授表示，这一成果的关键在于攻克长期存在的技术瓶颈。事件视界望远镜正是利用合成孔径成像方法，通过分布式传感器协同测量，模拟出巨型望远镜的效果。
在射电天文领域，这一技术得以实现，得益于射电波较长的波长，从而降低了传感器间同步的复杂度。但在光学频段，由于波长大幅缩短，传感器的同步要求达到纳米级，传统方法几乎难以实现。
MASI如何突破光学限制
多尺度孔径合成成像仪（MASI）正是针对这一挑战提出的创新方案。与依赖传感器精确同步的传统方法不同，MASI允许各传感器独立采集光线，随后通过计算算法完成数据同步。
郑教授将其类比为多位摄影师各自拍摄同一场景，但不记录照片，而是采集光波的原始信息，再由软件将这些数据整合为一张超高分辨率图像。
这一计算驱动的相位同步机制，去除了传统光学系统中刚性干涉装置的依赖，成为实现光学合成孔径实用化的重要突破。
MASI的成像原理与创新
MASI在成像方式上与传统光学系统存在两项根本差异。其一，它摒弃了透镜对光的聚焦作用，转而部署多个编码传感器，分布于不同衍射平面。
MASI拍摄的弹壳图像显示了微米级分辨率的三维重建能力。上图展示了振幅和相位信息，下图呈现了击针印痕等微小特征。
图片来源：康涅狄格大学
每台传感器记录的是原始衍射图样，即光波与物体交互后传播的形态。这些数据包含光波的振幅和相位信息，可通过计算方法进行还原。
在完成每个传感器的波场恢复后，系统使用数字填充技术将波场传播回物体表面，再通过迭代优化算法校准各传感器间的相位差异，以提升成像的整体相干性。
这种软件驱动的相位同步机制是MASI的核心创新。它通过软件实现波场的整合，而不是依赖物理结构对准，从而打破了传统光学中衍射极限的束缚。
最终结果是一幅由多个传感器共同构建的虚拟合成孔径图像，实现了亚微米分辨率，且无需使用透镜。
MASI的性能优势与应用前景
无论是在显微镜、相机还是天文望远镜中，传统光学系统往往需要在分辨率与工作距离之间做出妥协。MASI则通过移除透镜，实现了在几厘米距离内采集高分辨率图像的能力。
郑国安指出，MASI的潜在应用极为广泛，涵盖法医鉴定、医学成像、工业质检和遥感等多个领域。
“MASI真正的潜力在于其可扩展性，”他说，“与传统光学系统在扩展时性能呈指数衰减不同，MASI系统具备线性扩展能力，未来或许能构建超大规模的成像阵列。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）标志着光学成像技术的一次范式转变。它通过将测量与同步解耦，并以软件控制的传感器阵列替代传统光学器件，为高分辨率、灵活可扩展的成像技术开辟了新路径。
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》