新型图像传感器突破光学成像极限
康涅狄格大学郑国安教授团队研发出一款创新图像传感器，能够在无需使用透镜的前提下，实现光学超分辨成像。这项技术的灵感源自于拍摄首张黑洞图像的射电望远镜阵列，它采用多传感器协作的方式，通过计算整合成像数据，从而捕捉到更细腻的图像细节。
成像技术的发展极大地拓展了人类对世界的认知边界，从遥测遥远星系的射电望远镜，到解析细胞内部结构的显微系统。尽管技术不断进步，光学成像领域仍面临一个核心挑战：如何在避免复杂镜头系统或严格对准要求的前提下，实现高分辨率、广视角的成像。
郑国安教授及其团队在《自然通讯》上发表的研究成果，提出了一种突破性解决方案。该方案有望在科学、医学与工业成像领域引发深远影响。
郑教授指出，该技术的核心在于解决一个长期存在的难题：合成孔径成像——即事件视界望远镜用于黑洞成像的技术。该方法通过相干整合多个独立传感器的测量数据，模拟出更大孔径的成像系统。
在射电波段，这一方法之所以可行，是因为射电波长较长，便于实现传感器间的精确同步。然而，在可见光波段，由于所需精度极高，传统同步方式往往难以实现。
MASI如何突破光学瓶颈
多尺度孔径合成成像仪（MASI）为这一难题提供了全新思路。不同于以往对传感器进行物理同步的要求，MASI允许各个传感器独立采集光线信息，随后利用计算算法在数字域内实现同步。
郑教授将其比作多位摄影师从不同角度拍摄同一场景，但并非获取常规照片，而是采集光波的原始测量数据。随后，软件将这些数据整合为一张超高分辨率图像。
这种计算相位同步方法，省去了对刚性干涉系统的依赖，而后者正是此前限制光学合成孔径系统实用化的关键障碍。
MASI的成像原理
MASI在成像机制上与传统光学系统存在两个本质区别。首先，它不依赖透镜来聚焦光线，而是部署一组编码传感器，布置于不同衍射平面上。
MASI成像技术所捕获的一枚弹壳图像显示，上部图像呈现了复杂的电场信息，包括振幅和相位；下部则展示了微米级精度的三维重建图像，清晰呈现出击针痕迹——这一特征可将弹壳与特定枪支关联。图像来源：康涅狄格大学。
每个传感器记录的光波衍射图样，反映了光波与物体相互作用后的传播特性。这些数据包含振幅和相位信息，能够通过算法恢复重建。
在完成波场恢复后，系统进一步通过数值方法将波场传播回原始物平面，并利用计算相位同步算法迭代调整各传感器数据的相对相位，以优化图像的整体相干性和能量集中度。
这一过程是MASI的创新关键：通过软件优化多个波场的组合，而不是依赖物理对准，MASI突破了衍射极限与传统光学系统的限制。
最终结果是：MASI通过构建虚拟合成孔径，实现了无需透镜的亚微米级分辨率与广域成像。
MASI的潜力与应用前景
传统成像设备，如显微镜、相机或望远镜，往往需要依赖光学镜头，而镜头设计常迫使用户在分辨率与工作距离之间做出妥协。为了捕捉更小的细节，镜头需要非常接近物体，通常仅为几毫米，这限制了系统的适用性。
MASI通过去除对镜头的依赖，使在几厘米距离外即可采集高分辨率图像成为可能。其能力类似于在桌面距离观察头发丝上的微小纹理，而无需将其贴近眼睛。
郑教授表示，MASI的应用潜力广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测及遥感等多个领域。
“最引人注目的是MASI的可扩展性。不同于传统光学系统在规模扩大时性能呈指数级下降，MASI可实现线性扩展，有望推动更大阵列成像系统的实现。”
多尺度孔径合成成像仪（MASI）标志着光学成像技术的范式转变。该系统通过计算手段克服了传统光学的物理限制，将测量与同步分离，以软件驱动的传感器阵列取代了传统镜头系统，为高分辨率、灵活且可扩展的成像方式开辟了新路径。
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
期刊信息：《
自然通讯
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