新型图像传感器突破光学成像边界
康涅狄格大学郑国安教授团队开发的新型图像传感器，采用无透镜设计，实现了光学超分辨率成像。该技术灵感源自事件视界望远镜阵列，通过多个传感器协同获取数据，并借助算法融合信息，从而捕捉高细节图像。图片由康涅狄格大学提供。
自成像技术问世以来，人类得以以前所未有的方式观测宇宙——从绘制遥远星系的射电图像，到解析活细胞内部的动态结构。然而，无论技术如何进步，一个关键难题始终未被攻克：如何在不依赖厚重镜头或高精度对准机制的情况下，实现可见光波段的高分辨率、广角光学成像。
近日，康涅狄格大学生物医学工程系教授郑国安及其研究团队，在《自然通讯》上发表了一项突破性研究成果，提出了一种全新的成像解决方案，或将在科研、医学和工业领域引发深远影响。
郑教授指出，该技术的核心在于攻克一项长期存在的挑战：合成孔径成像。这项技术曾被用于拍摄首张黑洞照片，其原理是将多个独立传感器采集的数据通过相干方式整合，模拟出更大成像孔径。
尽管在射电天文学中，该方法已取得显著成果，但其成功依赖于射电波较长的波长，使得传感器间的同步成为可能。而在可见光范围内，由于尺度缩小多个数量级，传统同步机制在物理层面几乎难以实现。
MASI：攻克光学极限的创新方案
郑团队开发的多尺度孔径合成成像仪（MASI）提供了一个全新思路。与传统方式不同，MASI并不要求所有光学传感器严格同步运行，而是允许各传感器独立采集数据，再通过计算手段实现数据同步。
郑教授将其比作多个摄影师独立拍摄同一场景，但记录的并非常规图像，而是光波的原始测量信息。随后，软件将这些独立采集的光场数据融合，最终生成一张超高分辨率图像。
这种基于计算的相位同步方案，消除了传统干涉系统对刚性结构的依赖，从而解决了光学合成孔径系统在实际部署中的关键瓶颈。
MASI的成像机制解析
MASI在多个方面与传统光学成像技术存在本质区别。首先，它不依赖透镜对光进行聚焦，而是通过一组位于不同衍射平面的编码传感器进行测量。
MASI系统拍摄的弹壳图像显示了其强大的三维重建能力。上图呈现了捕捉到的光波振幅和相位信息，下图则展示了以微米分辨率重建出的击针印痕。图像由康涅狄格大学提供。
每个传感器采集的是原始的衍射图样，即光波与物体相互作用后的传播状态。这些图样中包含振幅和相位信息，并可通过算法进行恢复。
当系统恢复出每个传感器的波场数据后，将通过数值方法将其传播回物体所在平面。随后，采用计算相位同步方法，逐步校正各传感器数据的相位偏移，以实现波场的整体相干重建。
这一计算同步过程是MASI的关键创新之一。通过在软件中优化波场合成，而非依赖物理对准，MASI突破了衍射极限和传统光学的诸多限制。
最终效果令人惊叹：MASI能够实现亚微米级分辨率和宽视场成像，且无需使用任何透镜。
MASI的前景与应用潜力
在传统光学系统中，镜头始终是设计上的限制因素。分辨率越高，镜头与物体的距离越短，这不仅限制了成像距离，也增加了系统的侵入性。
MASI则完全不同。它完全摆脱了透镜的约束，可在数厘米外采集高质量衍射数据，并重建出分辨率极高的图像。这种能力使其在远程观察、非接触式检测等领域具有独特优势。
郑国安教授表示，MASI的应用前景非常广阔，从法医学中的弹壳分析、医学中的微结构成像，到工业检测和遥感系统，均可能受益于这一技术。
更值得注意的是其扩展能力。与传统光学系统随着规模扩大而复杂度激增不同，MASI系统具有线性可扩展性，为构建超大规模传感器阵列打开了新的可能性。
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。通过将物理测量与数据处理解耦，并借助软件驱动的传感器阵列，MASI为高分辨率、高灵活性和可扩展的成像方式开辟了新的路径。
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
《自然通讯》