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了一款无需透镜的图像传感器，可实现光学超分辨率成像。该设计灵感来自首张黑洞图像的拍摄技术，通过多传感器协同与计算融合，捕捉更精细的图像细节。图片来源：康涅狄格大学。
成像技术极大地拓展了人类对宇宙的观测能力，从遥远星系的绘制到细胞内部结构的揭示，无不体现出其革命性影响。然而，即使历经多年发展，光学成像在波长限制、成像精度和系统复杂性方面，依然面临诸多挑战。尤其在不依赖厚重镜头或高精度对准机制的情况下，获取高分辨率与宽视场图像始终是一个技术难题。
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（CBBI）主任郑国安，联合其研究团队在《自然通讯》上发表了一项重大成果。该研究介绍了一种名为多尺度孔径合成成像仪（MASI）的新型成像系统，有望在科学、医学和工业成像领域引发深远影响。
郑教授指出，MASI的设计灵感来源于事件视界望远镜（EHT）在拍摄黑洞图像时所使用的合成孔径成像技术。该技术通过多传感器协同工作，将独立观测数据进行相干融合，模拟出一个更大的等效成像孔径。
在射电天文学领域，合成孔径成像之所以有效，关键在于射电波的波长较长，便于实现传感器间的高精度同步。但光学波段的波长极短，要求传感器在纳米尺度上保持同步，这在物理上极具挑战。
MASI如何突破光学成像瓶颈
MASI的核心创新在于对计算相位同步技术的重新定义。它并不强制要求光学传感器在硬件层面实现完美同步，而是允许每个传感器独立采集光波信息，再通过算法进行数据整合与相位同步。
郑教授将其形象地比喻为多位摄影师从不同角度拍摄同一场景，但并非获取常规图像，而是记录光波的原始测量数据，随后由软件进行拼接，生成超高分辨率图像。
这一策略避免了传统干涉系统对刚性结构的依赖，而刚性结构正是限制光学合成孔径系统在实际中部署的主要障碍。
MASI的成像机制与技术特点
MASI与传统光学成像方式存在两个根本性区别。首先，它不依赖透镜对光进行聚焦，而是使用一组分布在不同衍射平面上的编码传感器。其次，MASI捕捉的是光波在与物体作用后的衍射图样，即光波的传播状态，包含振幅和相位信息。
MASI技术拍摄的弹壳图像。上图展示了捕获的复杂电场，包含振幅（亮度）和相位（颜色）信息；下图显示了三维重建效果，能够清晰呈现击针印痕，有助于弹壳与特定枪支之间的关联分析。图片来源：康涅狄格大学。
这些原始衍射数据可通过计算算法恢复为完整的波场信息。系统进一步通过数值方法将波场传播回物平面，并采用相位同步方法调整各传感器的相位偏移，以提升图像的整体相干性与能量集中度。
这一过程是MASI的关键创新之一：它通过在软件中优化波场组合，而非物理上对齐传感器，从而克服了光学衍射极限和其他传统限制。
最终结果是，MASI实现了超越传统光学系统的性能，能够在无透镜的情况下，提供亚微米级分辨率与大视场成像。
MASI的技术优势与未来应用前景
在传统光学成像中，镜头始终是设计的中心。为了提升分辨率，往往需要将镜头与目标拉近距离，这在实际应用中常常限制了成像距离和操作灵活性。
MASI则完全摆脱了镜头限制，能够在数厘米外捕捉目标的衍射信息，并重建出亚微米级的高分辨率图像。这种能力类似于从桌面距离观察一根头发上的细微纹理，而无需将物体贴近眼睛。
郑国安教授表示，MASI的应用前景广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测以及遥感等领域。
“最令人期待的是其可扩展性，”他补充道，“与传统光学系统随规模扩大而呈指数增长不同，MASI具备线性扩展能力，未来有可能催生出前所未有的大规模成像阵列。”
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，使用软件控制的传感器阵列替代传统镜头，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》，发表于《自然通讯》（2025），DOI：10.1038/s41467-025-65661-8
期刊信息：《自然通讯》