新型图像传感器突破光学极限
在生物医学工程领域，康涅狄格大学郑国安教授团队最近开发出一款无透镜图像传感器，实现了光学超分辨率成像的新突破。该传感器的灵感源自用于拍摄首张黑洞影像的射电望远镜阵列，通过多个传感器独立采集数据并计算融合，最终形成高精度图像。该成果已在《自然通讯》上发表。
图像传感技术在过去几十年中不断发展，从观测遥远星系到解析细胞内部结构，都极大地拓展了人类的感知边界。然而，光学波长范围内的成像始终面临一个核心挑战：如何在不使用复杂光学组件的前提下，实现高分辨率与大视场。
郑国安教授及其研究团队在《自然通讯》中介绍了一项创新成果——多尺度孔径合成成像仪（MASI）。这项技术有望革新光学成像在医学、科研及工业检测等领域的应用。
郑教授指出，该突破的关键在于合成孔径成像技术，即通过整合多个传感器的观测数据，模拟更大口径的成像系统。这种方法已经被事件视界望远镜用于拍摄黑洞图像。
在射电波段，由于波长较长，多个传感器间的精确同步相对容易实现。然而在可见光范围内，由于波长尺度极小，传统方法对传感器同步精度的要求极高，几乎难以满足。
MASI如何克服光学障碍
MASI系统通过计算方式实现了光学同步，从而克服了上述难题。与传统方案不同，MASI并不要求多个光学传感器在硬件层面严格同步，而是允许各传感器独立采集光波信息，并通过算法进行数据融合。
郑教授将这一过程比喻为多位摄影师以不同的光学特性记录同一场景，最终通过软件将这些数据拼合成超高分辨率图像。
该技术摒弃了传统干涉装置，后者在光学系统中往往难以实现高精度物理对准，从而限制了系统的实际部署。
MASI独特的成像机制
与传统光学成像不同，MASI并未使用镜头聚焦光线，而是通过一组编码传感器采集衍射图像。这些传感器分布在多个衍射平面，独立记录光波与目标交互后的传播特性。
MASI技术成功捕捉了弹壳的三维图像。上图展示了电场振幅与相位信息，下图则呈现了高精度的三维重建，其中击针印痕等特征清晰可见，为法医学提供了有力支持。图像资料由康涅狄格大学提供。
每台传感器记录的衍射图样包含振幅与相位数据，这些数据通过计算可被还原出完整波场。随后，系统会对这些波场进行填充，并通过数值方法将其传播回目标平面。
在重建过程中，MASI采用计算相位同步技术，逐步优化各传感器间的相对相位关系，以提升整体图像的相干性与能量密度。
这一创新机制是MASI突破衍射极限的关键：它通过软件控制波场组合，而非依赖硬件对准。
结果是，MASI能够构建出比任何单个传感器更大、分辨率更高的合成孔径图像，且无需使用传统镜头。
MASI的技术优势与应用前景
在传统光学系统中，镜头设计常常需要在分辨率与工作距离之间进行取舍。为了捕捉更小的细节，镜头必须贴近被测物体，这在工业和医学成像中往往不可行。
MASI系统则完全摆脱了镜头限制，能够从数厘米外捕捉高分辨率图像，其分辨率可低至亚微米级别。这意味着，从数米外也能捕捉到头发丝的细节。
郑教授表示，MASI的应用潜力广泛，涵盖法医学、医学成像、工业质检以及遥感等多个领域。
“尤其值得关注的是其可扩展性，”郑补充道，“与传统光学系统相比，MASI在扩展时的复杂度呈线性增长，这为构建前所未有的大规模成像系统提供了可能。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）标志着光学成像范式的重大转变。通过解耦测量与同步过程，并以计算传感器阵列取代传统光学系统，MASI为高分辨率、灵活部署和可扩展成像开辟了全新路径。
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》