科学家研发出无透镜成像技术，突破光学发展瓶颈

IT之家 12 月 24 日消息，康涅狄格大学研发的一项全新成像技术有望改写光学成像的规则，无需依赖厚重的透镜或繁琐的物理校准，就能实现超高分辨率成像。

据IT之家了解，该系统借助计算技术、传感器阵列和精妙算法，突破了数十年来限制光学发展的瓶颈。

这项突破源自郑国安（Guoan Zheng，音译）教授的实验室，该研究团队的灵感来自一个看似不相关的对象 —— 事件视界望远镜（Event Horizon Telescope）。这个全球射电望远镜阵列曾拍摄到人类首张黑洞照片，其通过整合多台望远镜的数据，模拟出一台口径大得多的虚拟望远镜。

但长期以来，将这一思路应用于可见光领域似乎并不现实。可见光的波长远短于无线电波，传感器之间哪怕出现极其微小的校准偏差，都会严重破坏成像质量。此前，要实现光学传感器的纳米级精度同步，几乎是一项不可能完成的任务。

为此，郑国安团队另辟蹊径，彻底绕开了物理同步的技术路径。这项技术的产物就是多尺度孔径综合成像仪（MASI），该设备不再要求传感器保持完全同步运行，而是让每一个传感器独立测量光线，再通过计算算法对采集到的数据进行后期同步处理，最终重建出一幅清晰连贯的图像。

郑国安表示：“这项突破的核心，是攻克了一个长期存在的技术难题。事件视界望远镜正是凭借综合孔径成像技术拍摄到黑洞，该技术通过将多个分离传感器的测量数据进行相干合成，模拟出一个口径更大的成像孔径。”

MASI 用一组排布在衍射平面不同位置的编码传感器取代了传统透镜。每一个传感器都会捕捉原始衍射图案，这些图案包含了光线与被测物体作用后的亮度和相位信息。

研究人员会对这些测量数据进行处理，还原每个传感器捕捉到的复杂波场；随后对波场数据进行数字填充，并通过数值计算反向推演至物体平面；再利用一种计算相位同步方法，对数据进行迭代校准，最大化合成图像的相干性。

这种由软件驱动的同步方式，摒弃了长期阻碍实用型光学综合孔径系统发展的刚性干涉测量装置，最终构建出一个口径远超单个传感器的虚拟孔径。

这项技术的成果令人瞩目。MASI 无需透镜，仅在数厘米的工作距离内，就能在大视场范围内实现亚微米级分辨率成像。而传统光学设备往往需要在分辨率、视场范围和物距之间做出取舍。

研究团队通过对子弹壳的成像实验验证了该系统的性能：设备清晰捕捉到了撞针印痕等微米级细节。这类痕迹可用于将弹药与特定枪支进行匹配，凸显出该技术在法医学领域的应用潜力。

郑国安指出：“MASI 的潜在应用覆盖多个领域，包括法医学、医疗诊断、工业检测和遥感技术等。但最令人振奋的是它的可扩展性。”

传统光学系统的复杂度会随规模扩大呈指数级增长，而 MASI 的复杂度仅呈线性增长，增加传感器数量即可提升性能，且不会产生难以解决的校准难题。

除成像领域外，这项研究还印证了工程学领域的一个大趋势：借助计算技术突破曾被视为不可逾越的物理限制。

这项发表于《自然・通讯》的研究指出，通过将测量过程与同步过程解耦，MASI 开辟了一个全新的技术领域 —— 在这个领域中，定义光学系统成像能力的核心要素，不再是镜片，而是软件。