革新光学成像：新型图像传感器打破传统限制
康涅狄格大学郑国安教授团队开发了一款无需透镜即可实现超分辨率成像的图像传感器。该系统灵感来自拍摄首张黑洞图像的射电望远镜阵列，通过多个传感器协同工作和数据融合，捕捉到更精细的图像细节。图片来源：康涅狄格大学
自成像技术问世以来，人类得以以前所未有的方式观察宇宙——从利用射电望远镜绘制遥远星系，到解析活细胞内部的结构。然而，无论技术如何进步，一个核心问题始终未被解决：在不依赖笨重光学系统或对准限制的前提下，如何在光学波段实现高分辨率和宽视场成像。
康涅狄格大学生物医学工程教授、CBBI中心主任郑国安及其研究团队近期在《自然通讯》杂志上发表了一项研究成果。这项工作提出了一种全新的成像方法，可能将重塑光学成像在多个领域中的应用。
郑国安教授指出，这一突破源自一个长期存在的技术挑战：合成孔径成像，即事件视界望远镜捕捉黑洞图像所使用的技术，通过多个传感器的测量结果相位协同，模拟出更大的成像孔径。
在射电波段，由于波长较长，实现传感器间的精确同步相对容易。而在可见光波段，尺度急剧缩小，传统同步方法几乎无法实现。
MASI如何打破光学壁垒
多尺度孔径合成成像仪（MASI）提出了一种全新的解决方案。它不再依赖多个传感器之间的物理同步，而是允许每个传感器独立采集光信息，并通过算法进行后期同步。
郑国安教授将其比作多位摄影师拍摄同一场景，但并非获取普通照片，而是记录光波的特性，随后由软件将这些独立数据组合成一张超高分辨率图像。
这种方法摆脱了对刚性干涉系统的依赖，而正是这种系统此前限制了光学合成孔径技术的实用化。
MASI的成像机制
MASI在成像原理上与传统技术截然不同。它不依赖透镜聚焦，而是使用一组编码传感器，分布于不同的衍射平面。
MASI成像系统拍摄的弹壳图像。上图展示了原始电场信息，包含振幅和相位数据。下图则是三维重建结果，清晰呈现出击针印痕，可用于弹壳与枪支的关联分析。图片来源：康涅狄格大学
每台传感器记录的是物体与光波相互作用后的衍射图样，这些数据包含光的振幅与相位信息。通过计算方法，系统能够恢复并重建这些波场。
随后，系统将各传感器的波场进行数字填充，并通过数值方法将其逆向传播回物平面。关键的一步是，使用相位同步算法逐步调整传感器间的相对相位偏移，以优化重建图像的相干性与能量。
这种在软件中实现的相位同步方式，使MASI成功绕过了衍射极限和传统光学的物理约束。
最终结果是一个虚拟孔径，其尺寸远超单个传感器，能够在无需透镜的情况下实现亚微米级分辨率的广域成像。
MASI的优势与未来前景
传统光学系统依赖透镜，而镜头设计往往需要在分辨率、工作距离和成像范围之间做出权衡。为获得更精细的图像，镜头必须离物体更近，通常只有几毫米，这对某些应用场景构成障碍。
MASI完全摒弃了光学系统，能在数厘米外捕捉光信号，并重建出微米级分辨率的图像。这种能力相当于从桌面远处就能看清一根头发的纹理，无需将其贴近眼睛。
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多个领域。
“更重要的是，MASI具有良好的扩展性。与传统光学器件随着尺寸增大而复杂度呈指数增长不同，MASI系统的扩展是线性的，这为构建更大规模的传感器阵列打开了可能性。”
MASI的出现标志着光学成像技术的一次范式转变。它通过计算手段克服了光学物理的限制，以软件控制的传感器阵列替代了传统镜头，为高分辨率、灵活且可扩展的成像系统开辟了新的方向。
更多信息请参见：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