新型图像传感器突破光学极限

Guoan Zheng教授的实验室开发了一种无需镜头即可实现光学超分辨率的新型图像传感器。该设备受捕捉首张黑洞图像的望远镜阵列启发，利用多个传感器协同工作，计算合并观测数据以观察更细致细节。

成像技术已经彻底改变了我们观察宇宙的方式——从用射电望远镜阵列测绘遥远星系，到揭示活细胞内部的微观细节。然而，尽管经过数十年的创新，一个根本性的障碍始终存在：如何在无需笨重透镜或严格对准限制的情况下，捕获光学波长的高分辨率、大视场图像。

由康涅狄格大学生物医学工程教授、生物医学与生物工程创新中心主任郑国安及其在康涅狄格大学工程学院的研究团队完成的一项新研究，发表在《自然·通讯》上，介绍了一项可能重新定义科学、医学和工业领域光学成像的突破性解决方案。

Guoan Zheng说："这一突破的核心是一个长期存在的技术难题，合成孔径成像——正是这种方法让事件视界望远镜能够给黑洞成像——其原理是通过相干地组合来自多个分离传感器的测量数据，以模拟一个更大的成像孔径。"

在射电天文学中，这是可行的，因为无线电波的波长要长得多，使得传感器之间的精确同步成为可能。但在可见光波长下，感兴趣的尺度要小几个数量级，传统的同步要求几乎无法在物理上实现。

MASI如何突破光学壁垒

多尺度孔径合成成像仪 彻底改变了应对这一挑战的思路。它不再强迫多个光学传感器以完美的物理同步运行(这需要纳米级的精度)，而是让每个传感器独立测量光线，然后使用计算算法对数据进行后期同步。

Guoan Zheng解释说，这就像让多位摄影师拍摄同一场景，但不是作为普通照片，而是作为光波特性的原始测量数据，然后让软件将这些独立的捕捉结果拼接成一张超高分辨率的图像。

这种计算相位同步方案，消除了以往阻碍光学合成孔径系统实际应用的刚性干涉仪设置需求。

MASI独特的成像方法

MASI在两个方面与传统光学成像有根本性不同。它不依赖透镜将光线聚焦到传感器上，而是在衍射平面的不同位置部署一个编码传感器阵列。

由MASI成像的子弹壳。上图：捕获的复电场同时包含振幅(亮度)和相位(颜色)信息。下图：该数据能以微米分辨率进行三维重建，显示了撞针痕迹——这是一种能将弹壳与特定枪支联系起来的独特标记。(图片来源：康涅狄格大学)

每个传感器捕获原始的衍射图案——本质上是光波与物体相互作用后的扩散方式。这些衍射测量值同时包含振幅和相位信息，可通过计算算法复原。

一旦恢复每个传感器的复杂波场，系统就会对波场进行数字填充和数值传播，使其回到物平面。然后，一种计算相位同步方法会迭代调整每个传感器数据的相对相位偏移，以最大化统一重建中的整体相干性和能量。

这一步是关键创新：通过在软件中优化组合波场，而非在物理上对齐传感器，MASI克服了衍射极限以及传统光学施加的其他限制。

结果如何?一个比任何单个传感器都大的虚拟合成孔径，无需透镜即可实现亚微米分辨率和宽视场覆盖。

MASI的优势与未来潜力

无论是显微镜、相机还是望远镜，传统透镜都迫使设计者进行取舍。为了分辨更小的特征，透镜必须更靠近物体，通常要在毫米以内，这限制了工作距离，并使某些成像任务变得不切实际或具有侵入性。

MASI方法完全摒弃了透镜，从数厘米外捕获衍射图案，并以低至亚微米级别的分辨率重建图像。这类似于能够从桌子的另一侧检查人类头发的细微纹理，而不是将其拿到眼前几英寸的地方。

Guoan Zheng说："MASI的潜在应用跨越多个领域，从法医科学和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——不同于传统光学系统在增大时会变得指数级复杂，我们的系统是线性扩展的，这可能使我们能够为尚未设想的应用构建大型阵列。"

多尺度孔径合成成像仪代表了光学成像领域的范式转变：计算解决了物理光学施加的根本限制。通过将测量与同步解耦，并用软件控制的传感器阵列取代笨重的透镜，MASI开启了一个高分辨率、灵活且可扩展的成像新领域。

审核编辑 黄宇