突破光学极限：新型图像传感器革新成像方式
由郑国安教授领导的康涅狄格大学研究团队开发的新型图像传感器，无需透镜即可实现光学超分辨率成像。该设备的灵感来源于事件视界望远镜拍摄首张黑洞照片的阵列结构，通过多个传感器协同观测并计算融合数据，从而获得更高细节的图像。图片来源：康涅狄格大学
现代成像技术已经显著改变了人类对世界和宇宙的认知方式。从使用射电望远镜绘制遥远星系，到捕捉活细胞内部的动态过程，成像手段不断演进。然而，一个核心挑战始终未被解决：在不依赖复杂光学元件和严格对准机制的情况下，如何在光学波段实现高分辨率、宽视场的成像。
康涅狄格大学生物医学工程教授、生物医学与生物工程创新中心主任郑国安及其团队在《自然通讯》上发表研究，提出了一种具有革新意义的解决方案，有望重塑科学、医疗和工业领域的成像技术。
郑国安指出，这项技术突破的关键在于克服长期以来的限制。合成孔径成像——例如事件视界望远镜所采用的技术——通过将多个传感器数据进行相干融合，模拟出大口径成像系统的效果。
在射电天文学领域，这种方法的可行性源于射电波波长较长，便于实现传感器间的精确同步。然而，在可见光波段，由于尺度微小，传统同步方式在物理上难以实现，限制了其在光学成像中的应用。
MASI如何突破光学成像障碍
多尺度孔径合成成像仪（MASI）为这一难题提供了全新思路。该系统并不强制要求所有光学传感器严格同步（这通常需要纳米级精度），而是允许各个传感器独立采集光信号，随后在计算层面实现数据同步。
郑国安将其类比为多位摄影师拍摄同一场景，但不是获取常规图像，而是记录光线波形的原始测量数据。随后，软件将这些数据拼接整合，形成一张超高分辨率的图像。
这种基于算法的相位同步方法，有效消除了对刚性干涉结构的依赖。而这种结构，正是此前阻碍光学合成孔径系统实际应用的主要瓶颈。
MASI独特的成像机制
MASI与传统成像方式存在两个关键差异。首先，它不依赖透镜对光进行聚焦，而是采用一组分布于不同衍射平面的编码传感器。其次，MASI通过采集光波与目标物体相互作用后的衍射图案，获取振幅与相位信息。
MASI技术拍摄的弹壳图像。上图展示了光波的振幅与相位信息，下图呈现了基于该数据的三维重建图像，清晰显示了击针印痕。这种特征可用于弹壳与特定枪支之间的溯源。图片来源：康涅狄格大学
采集到的原始衍射数据中包含完整的光波信息，通过计算算法可以恢复出完整的波场。系统随后对这些波场进行数字填充，并利用数值方法将信号回推至目标平面。
关键的创新在于：MASI通过软件优化各传感器数据的相对相位，而非依靠物理对准方式。这使系统能够有效克服光学衍射极限，并突破传统成像技术的诸多限制。
最终成果是一个虚拟合成孔径，其尺寸远超单个传感器。该系统在无需镜头的情况下实现了亚微米级分辨率和大视场覆盖。
MASI的潜在优势与应用前景
在传统光学系统中，镜头设计往往需要在分辨率与工作距离之间做出妥协。为了捕获更小的结构特征，光学系统必须非常接近目标，通常仅有几毫米，限制了其适用范围。
MASI技术则彻底摆脱了镜头限制。它能够在距离目标几厘米的位置捕获光波信号，并重建出亚微米级的图像。这种能力使得高精度成像可以在更远距离完成，而不会干扰目标。
郑国安表示，MASI具有广阔的应用潜力，涵盖法医学、医学诊断、工业质检、遥感等多个领域。更重要的是，MASI的可扩展性极强，与传统光学系统随规模增长而呈指数复杂度上升的特性不同，MASI可以线性扩展，为未来构建大规模成像阵列铺平道路。
MASI代表了光学成像领域的一次范式转变。它通过计算手段突破了物理光学的限制，将测量与同步功能解耦，以软件控制的传感器阵列代替了传统透镜系统。这一创新为高分辨率、灵活且可扩展的成像技术开辟了全新路径。
更多信息：Ruihai Wang 等，《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》