突破光学成像极限！新型图像传感器实现高分辨率大视场

成像工具彻底改变了科学家研究世界的方式——从用射电望远镜网络绘制遥远星系，到揭示活细胞内部的精细结构。尽管历经数十年发展，仍有一个重大障碍：在光学波长下，要同时捕捉高细节和大视场的图像，往往依赖笨重的透镜或超精密物理校准，难度极大。

近日发表在《自然·通讯》的研究提出了一种解决方案。该研究由康涅狄格大学（UConn）生物医学工程教授、生物医学与生物工程创新中心（CBBI）主任郑国安（音）带领团队完成，他们提出的新型成像方法有望重塑科学、医学和工业领域的光学系统设计与应用。

合成孔径成像：光学领域的长期困境

郑国安（音）指出：“这项突破的核心是解决一个长期存在的技术难题。合成孔径成像，即事件视界望远镜拍摄黑洞所使用的方法通过相干组合多个分散传感器的测量数据，模拟出一个更大的成像孔径。”

这种策略在射电天文学中极为成功，因为无线电波波长较长，可精确同步远距离传感器收集的信号。然而，可见光的尺度要小得多，在这些波长下，使用传统方法让多个传感器保持完美同步所需的物理精度，即便可能实现，难度也极高。

MASI：以软件为核心的同步新方案

多尺度孔径合成成像仪（Multiscale Aperture Synthesis Imager, MASI）采用了截然不同的思路。它不要求光学传感器保持精确物理对齐，而是允许每个传感器独立收集光线，再通过先进的计算算法在测量完成后同步数据。

郑国安（音）将这一理念比作一群摄影师拍摄同一场景：每位摄影师不拍摄传统照片，而是记录光波行为的原始信息，再通过软件将这些独立测量数据组合成一张超高分辨率的图像。

通过计算处理相位同步，MASI避开了长期限制光学合成孔径系统实用性的刚性干涉装置。

MASI的无透镜成像原理

MASI在两方面突破了传统光学成像：首先，它完全摒弃了透镜。系统不通过玻璃聚焦光线，而是在衍射平面内不同位置放置编码传感器阵列，每个传感器记录衍射图案——描述光波与物体相互作用后的传播方式，这些图案包含振幅和相位信息，可通过计算技术后续恢复。

在重建每个传感器的复杂波场后，系统数字化扩展数据，并通过数学方法将波场传播回物平面。随后，计算相位同步过程调整传感器之间的相对相位差，这种迭代优化提高了相干性，将能量集中在最终重建的图像中。

这种基于软件的校准是核心创新。通过用计算优化替代物理精度，MASI避开了衍射极限和传统光学成像系统的其他约束。

亚微米分辨率的虚拟孔径

最终形成的虚拟合成孔径远大于任何单个传感器，实现了亚微米分辨率和大视场成像，且无需透镜。

显微镜、相机和望远镜中使用的传统透镜迫使工程师做出权衡：要实现更高分辨率，通常需将透镜放置在离物体极近的位置，有时仅几毫米。这种短工作距离在某些应用中会使成像变得困难、不切实际甚至具有侵入性。

MASI通过从厘米级距离捕捉衍射图案，消除了这一限制，仍能重建亚微米细节的图像。郑国安将此比作“从桌子对面观察人类头发的微小纹理，而非将头发放在眼前几英寸处”。

跨领域可扩展成像前景

郑国安（音）表示：“MASI的潜在应用跨越多个领域，从法医学、医学诊断到工业检测和遥感。但最令人兴奋的是其可扩展性——传统光学系统规模扩大时复杂度呈指数级增长，而我们的系统呈线性扩展，未来有望实现大型阵列，应用于我们尚未想象到的场景。”

多尺度孔径合成成像仪为光学成像指明了新方向。通过将测量与同步分离，用软件驱动的传感器阵列替代笨重的光学组件，MASI展示了计算如何克服物理光学的限制，打造出灵活、可扩展且能实现以往难以企及的高分辨率成像框架。