多尺度孔径合成成像仪突破光学成像瓶颈
康涅狄格大学郑国安教授团队开发了一款无需透镜的新型图像传感器，通过多传感器协同与计算融合，实现了光学超分辨率成像。其设计灵感源自拍摄首张黑洞照片的望远镜阵列。图片由康涅狄格大学提供。
成像技术已经深刻改变了人类对世界的认知方式——从通过射电望远镜阵列揭示遥远星系，到解析细胞内部的生物过程。尽管技术不断演进，光学波段内实现广视场、高分辨率成像的难题仍然长期存在，尤其是在不依赖传统透镜系统的情况下。
康涅狄格大学生物医学工程教授郑国安及其研究团队在《自然通讯》上发表了最新成果，介绍了一种名为多尺度孔径合成成像仪（MASI）的突破性技术，这项技术可能在科学、医疗与工业成像中带来范式转变。
郑国安教授指出，这项技术的灵感来源于事件视界望远镜（EHT）拍摄黑洞图像所采用的合成孔径干涉成像方法。该方法通过多个分布式传感器的测量结果进行相干整合，从而模拟一个等效的大孔径观测系统。
在射电天文学中，这种技术之所以可行，是因为射电波长较长，使得多个传感器之间的时序与相位同步变得相对容易。然而，在可见光波段，由于光波波长极短，传感器之间的物理同步精度要求极高，传统方法几乎无法实现。
MASI如何突破光学限制
MASI的设计彻底改变了这一局面。与传统依赖纳米级同步的光学合成孔径方法不同，MASI通过分布式传感器独立采集光信号，并通过计算算法实现数据的相位同步。
这一过程类似于多位摄影师从不同位置拍摄同一场景，但不是直接生成照片，而是记录光波的原始信息，随后由软件将这些数据融合，生成高分辨率图像。
通过计算相位同步技术，MASI无需依赖传统的刚性干涉装置，而正是这类装置长期以来限制了光学合成孔径系统的实际应用。
MASI的成像原理与独特之处
MASI的核心成像机制有别于传统光学成像。它并不依赖透镜聚焦，而是使用一组编码传感器，分别布置于光的衍射平面上。
MASI成像系统拍摄的弹壳图像。上图展示了光波振幅与相位的复杂分布，下图则是通过三维重建呈现的微米级分辨率图像，揭示了弹壳上的击针痕迹。图片由康涅狄格大学提供。
每个传感器采集的是光波与目标物体相互作用后的衍射图样，这些数据包含了振幅与相位信息，通过计算方法可进一步恢复。
当每个传感器的复杂波场被重建后，系统会通过数值传播方法将其回推至物体平面，并借助计算相位同步技术迭代调整相位偏移，以实现全局相干性与能量最大化的图像重构。
这一方法的关键创新在于，MASI在数字域中实现波场的组合，而不是依赖物理传感器的高精度对准，从而突破了光学衍射极限与传统成像系统的限制。
最终结果是，MASI能够在无需镜头的情况下，实现亚微米级别的分辨率与宽视场成像。
MASI的优势与应用前景
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进行取舍。为了提高分辨率，镜头必须靠近目标物体，通常仅几毫米，这限制了其在某些场景下的实用性。
MASI的技术路线则完全跳出了这一限制，其系统可以在数厘米距离内捕获光波信息，并重建出亚微米分辨率的图像。这就好比在桌面上观察一根头发的细微纹理，而无需将其贴近眼睛。
郑国安教授表示，MASI的应用潜力极为广泛，涵盖法医学、生物医学成像、工业检测以及遥感等多个领域。
“尤其值得期待的是它的可扩展性。与传统光学系统在规模扩大时性能呈指数下降的趋势不同，MASI的性能提升是线性的，这为更大规模的阵列成像系统打开了大门。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）代表了光学成像技术的一次范式转变。它通过将测量与同步解耦，以软件驱动的传感器阵列替代了传统的光学组件，为高分辨率、灵活且可扩展的成像系统开辟了全新的路径。
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