革新光学成像的新型图像传感器问世
康涅狄格大学郑国安教授实验室开发出一种新型图像传感器，可在无需透镜的情况下实现超分辨率光学成像。其设计灵感来自用于拍摄首张黑洞图像的射电望远镜阵列，通过多个传感器协同获取数据并进行算法融合，从而呈现出更高精度的细节。图片来源：康涅狄格大学
成像技术的演进极大地拓展了我们对世界的认知边界——从深空的星系测绘到活体细胞的内部结构解析。尽管过去几十年技术不断进步，但在可见光波段，如何在不依赖厚重镜头或严格对准约束的条件下实现高分辨率、宽视场成像，始终是一个核心挑战。
康涅狄格大学生物医学工程教授、同时也是生物医学与生物工程创新中心 (CBBI) 的主任郑国安，联合其研究团队，近期在《自然通讯》上发表了一项突破性研究成果。该研究提出了一种全新方案，为光学成像技术带来了潜在的变革，可能广泛影响科学、医疗及工业领域。
郑教授指出，此次技术突破的关键在于长期存在的同步难题。合成孔径成像技术——此前用于拍摄黑洞的事件视界望远镜——正是通过整合多个独立传感器的数据，模拟出更大孔径的成像效果。
在射电天文学中，由于波长较长，传感器间的同步相对容易实现。但在可见光波段，由于尺度缩小了几个数量级，传统同步方法在物理上几乎无法实现。
MASI：突破光学极限的成像系统
多尺度孔径合成成像仪（MASI）成功攻克了这一技术瓶颈。不同于传统要求多个光学传感器严格同步的方式（这需要纳米级精度），MASI允许每个传感器独立采集光信号，随后通过算法实现数据同步。
郑教授将其原理形象地比作多位摄影师共同拍摄同一场景，但他们记录的不是普通照片，而是光波的原始物理特性，最终由软件整合生成超高分辨率图像。
这种基于计算的相位同步机制，摆脱了对刚性干涉系统的依赖，而这正是此前限制光学合成孔径系统在实际中应用的主要障碍。
MASI的成像技术特点
MASI在成像方式上与传统光学技术存在两点根本差异。其一，它不依赖透镜聚焦，而是采用一组分布在不同衍射平面上的编码传感器；其二，每个传感器捕捉的是光波与物体相互作用后的衍射图样，这些图样包含振幅与相位信息，可进一步通过计算方法进行重建。
MASI成像系统捕获的弹壳图像。上方图像展示了振幅（亮度）和相位（颜色）信息，下方图像则以微米级分辨率重构三维结构，清晰呈现击针印痕——这是弹壳与特定枪支之间的重要关联标记。图片来源：康涅狄格大学
通过算法处理，MASI能够恢复每个传感器所记录的复杂波场，并利用数值方法将这些波场传播回原始物体平面。随后，系统通过迭代调整传感器数据之间的相对相位偏移，以优化整体的相干性和能量分布。
这一计算同步机制是MASI的核心创新之一。通过在软件中实现波场的优化组合，而不是依赖物理对准，该系统成功突破了衍射极限及传统光学成像的诸多限制。
最终结果令人印象深刻：MASI可实现亚微米级分辨率，并覆盖宽广的视场，且无需任何镜头。
MASI的应用前景与优势
传统成像系统中，镜头的使用往往迫使设计在分辨率与工作距离之间做出妥协。为了捕捉更微小的细节，设备必须贴近目标，通常仅有几毫米的工作距离，这在很多应用场景中并不实用。
MASI则完全绕过了这一限制。它能够从数厘米外捕获衍射图样，并实现亚微米级的重建分辨率。这类似于在桌面上远距离观察一根头发的细微纹理，而无需将其贴近视线。
郑教授提到，MASI的潜在应用涵盖法医学、医学诊断、工业检测以及遥感等多个领域。而更引人注目的是其出色的可扩展性。与传统光学器件随尺寸扩大而呈指数增长的成本不同，MASI系统具备线性扩展能力，有望实现前所未有的大规模阵列应用。
多尺度孔径合成成像仪（MASI）标志着光学成像的一次范式转变。该系统通过计算手段有效解耦测量与同步过程，同时以软件控制的传感器阵列取代传统透镜，从而开创了一种高分辨率、高灵活性与可扩展性的新型成像模式。
更多信息：李海王等，《多尺度孔径合成成像仪》，《自然通讯》(2025)。DOI：10.1038/s41467-025-65661-8