多尺度孔径合成成像仪突破光学成像极限
康涅狄格大学郑国安教授团队开发的新型图像传感器，能够在无需透镜的情况下实现高分辨率成像。该传感器借鉴了拍摄首张黑洞照片的望远镜阵列原理，利用多个独立传感器采集数据，并通过计算融合生成超高分辨率图像。
图片来源：康涅狄格大学
成像技术的发展极大推动了人类对自然世界的认知，从深空探测到生命科学的微观成像，均受益于不断进步的光学系统。然而，长期以来，光学成像始终面临一个根本性挑战：如何在不使用复杂透镜或严格机械对准的条件下，获取高分辨率、大视野的图像。
由康涅狄格大学生物医学工程教授郑国安领导的团队，近期在《自然通讯》上发表了一项突破性研究成果。该团队提出了一种创新的多尺度孔径合成成像仪（MASI），有望重新定义光学成像在科研、医疗及工业领域的应用边界。
郑国安指出，传统光学成像依赖于物理透镜对光的聚焦能力，而合成孔径成像则采用分布式传感器获取信号，再通过算法重建图像。这一方法最初用于射电天文学，例如事件视界望远镜捕捉黑洞图像。在射电波段，较长的波长使得传感器间的同步较为容易，但在可见光范围内，波长显著缩小，传统同步机制面临极大挑战。
MASI如何突破光学成像障碍
MASI采用了一种全新的成像策略，它不再依赖传感器之间的物理同步，而是允许各传感器独立采集光线信息，并通过算法实现数据的相干整合。
这一过程可类比为多位摄影师从不同角度拍摄同一场景，但不是拍摄传统照片，而是记录光波的特性，最终由软件将这些独立采集的数据融合为一张超高分辨率图像。
这种基于软件的相位同步机制，有效避免了传统干涉系统中对机械结构的依赖，从而为光学合成孔径系统的工程化应用扫清了障碍。
MASI成像方法的独特优势
MASI与传统光学成像技术存在两个关键差异。首先，它不再依赖透镜系统进行光的聚焦，而是通过一组编码传感器，分布于光波衍射平面上的不同位置，采集原始光场数据。
MASI技术采集的弹壳图像显示了其在三维重建方面的高精度。上图展示了采集到的光场振幅和相位信息，下图则呈现了基于这些数据生成的三维图像，清晰揭示了击针印痕等特征。
图片来源：康涅狄格大学
MASI的传感器采集的是光波在物体表面散射后的衍射模式。这些数据包含光的振幅与相位信息，可通过计算方法进行还原。
在数据处理阶段，系统首先恢复每个传感器采集的复杂波场，然后通过数值方法将这些数据传播回物体平面。接着，利用相位优化算法对各个传感器采集的数据进行迭代校正，以实现整体波场的最大相干性。
这种基于软件的相位同步机制是MASI的核心创新，它通过计算手段而非机械调整，实现了光学成像中对衍射极限的突破。
最终，MASI能够合成一个等效于更大孔径的虚拟光学系统，在无需透镜的情况下实现亚微米级分辨率和大视野成像。
MASI的广泛应用前景
传统光学系统，无论是显微镜、相机还是望远镜，其成像性能往往受限于透镜设计。为了捕捉更小的细节，通常需要将物距压缩至几毫米，这在实际应用中常常导致系统侵入性增强、操作受限。
MASI的无透镜设计彻底解决了这一问题。它可以在几厘米距离内捕获光波衍射信息，并重建出分辨率达亚微米级的图像，显著提升了成像的灵活性。
郑国安强调，MASI的适用领域极为广泛，涵盖法医鉴定、病理分析、工业检测与遥感等多个方向。更为重要的是，该技术具有良好的可扩展性。与传统光学系统在规模扩大时性能呈指数下降不同，MASI的性能提升与系统规模呈线性关系，为未来大规模光学阵列应用奠定了基础。
MASI的出现，标志着光学成像技术从物理受限走向计算主导的范式转变。它不仅摆脱了传统透镜的束缚，还通过算法与传感器阵列的结合，为高分辨率、灵活部署的成像系统开辟了全新的发展路径。
更多信息详见：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