多尺度孔径合成成像技术打破光学成像边界
康涅狄格大学郑国安教授团队研发的新型图像传感器，无需透镜即可实现光学超分辨率成像。该设备的设计灵感来源于拍摄首张黑洞照片的射电望远镜阵列，通过多个传感器协同工作，借助计算融合观测数据，从而捕捉更清晰的图像。图片来源：康涅狄格大学
成像技术的进步极大地改变了人类对世界的观察方式，无论是探索遥远星系的射电望远镜阵列，还是揭示活细胞内部结构的显微设备。然而，尽管光学成像在过去几十年中不断取得突破，一个核心挑战始终存在：如何在不依赖大型透镜或复杂对准机制的情况下，实现高分辨率、广视角的光学成像。
近日，康涅狄格大学生物医学工程系教授、生物医学与生物工程创新中心主任郑国安，率领其工程学院团队在《自然通讯》上发表研究成果，介绍了一种基于多尺度孔径合成成像技术（MASI）的创新方案。该技术有望重塑科学、医学及工业领域的光学成像标准。
郑国安指出，该突破的核心在于解决一个长期困扰光学成像的难题。合成孔径成像技术，曾被用于事件视界望远镜拍摄黑洞图像，其核心理念是将多个独立传感器的数据相干融合，模拟出一个更大的成像孔径。
在射电天文学中，这种技术之所以可行，是因为射电波波长较长，传感器间可以实现较为容易的同步。但在可见光波段，由于波长显著缩小，传统的物理同步手段几乎无法实现。
MASI技术如何突破光学限制
多尺度孔径合成成像仪（MASI）打破了这一壁垒。它并不强制要求多个光学传感器在物理层面精准同步，而是允许每个传感器独立采集光波数据，随后通过计算方法实现数据同步。
郑国安打比方说，这就好比多位摄影师从不同角度拍摄同一场景，但他们不是拍摄普通照片，而是记录光波的原始特性，之后由软件将这些数据拼接成一幅高分辨率图像。
这种基于计算的相位同步机制，避免了传统干涉系统对刚性结构的依赖。而刚性干涉装置正是此前阻碍光学合成孔径系统广泛应用的关键因素。
MASI的创新成像架构
MASI在成像方式上与传统光学设备存在两个关键差异。首先，它不再依赖透镜进行光聚焦，而是采用一组编码传感器，部署于光波衍射平面上的不同位置。
MASI技术拍摄的弹壳图像。上图展示了光波振幅（亮度）和相位（颜色）信息，下图通过三维重建精确还原击针印痕，这可用于弹壳与枪支的溯源关联。图片来源：康涅狄格大学
每台传感器捕捉的是光波与物体作用后的衍射图样——即光波的传播方式。这些数据包含振幅和相位信息，能够通过算法恢复出原始波前。
在计算过程中，系统首先将各个传感器的波场数据进行数字扩展，然后通过数值传播方法将其还原到物体平面。接下来，利用相位同步算法逐步调整各个传感器之间的相对相位差，以最大化最终图像的连贯性与能量。
这一技术亮点标志着MASI的独特优势：通过软件优化组合光波数据，而非依赖物理对准传感器，从而突破了衍射极限与传统光学系统的物理限制。
最终结果是一个虚拟合成孔径，其大小远超单个传感器，实现了亚微米级分辨率和大视场成像，且无需使用任何光学透镜。
MASI的潜在优势与应用前景
传统成像系统在分辨率和工作距离之间必须做出取舍。为了捕捉更细微的结构，镜头通常需要非常接近目标，通常仅有几毫米，这限制了应用场景，并可能对样本造成干扰。
MASI技术完全摒弃了透镜，能够从几厘米之外采集光波信息，并重建出亚微米级分辨率的图像。这种能力，就像在办公桌上观察头发上的纹理，而无需将头贴近物体。
郑国安表示，MASI的应用潜力极为广泛，涵盖了法医学、医学诊断、工业检测、遥感等多个领域。
他补充说，MASI的另一个核心优势是其可扩展性。与传统光学设备在扩展时呈指数级增长的复杂性不同，MASI系统可以线性扩展，为未来构建更大规模的成像阵列提供了可能。
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。通过将光波测量与数据同步解耦，并以软件控制的传感器阵列取代传统光学元件，MASI开启了一个灵活、高分辨率、可扩展的成像新时代。
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
期刊信息：《自然通讯》