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- 新型圖像傳感器突破了光學極限
- 來源：莎拉雷德蒙德，康涅狄格大學 發(fā)表于 2026/1/5
鄭國安教授的實驗室開發(fā)了一種新型圖像傳感器，無需透鏡即可實現(xiàn)光學超分辨率成像。該設(shè)備的設(shè)計靈感源于拍攝首張黑洞照片的望遠鏡陣列，它利用多個傳感器協(xié)同工作，通過計算融合觀測數(shù)據(jù)，從而捕捉到更精細的細節(jié)。圖片來源：康涅狄格大學
成像技術(shù)徹底改變了我們觀測宇宙的方式——從利用射電望遠鏡陣列繪制遙遠星系的地圖，到揭示活細胞內(nèi)部的微觀細節(jié)。然而，盡管數(shù)十年來不斷創(chuàng)新，一個根本性的障礙依然存在：如何在不使用笨重鏡頭或嚴格對準限制的情況下，在光學波長范圍內(nèi)獲取高分辨率、廣角圖像。
康涅狄格大學生物醫(yī)學工程教授、康涅狄格大學生物醫(yī)學與生物工程創(chuàng)新中心 (CBBI) 主任鄭國安及其康涅狄格大學工程學院的研究團隊在《自然通訊》上發(fā)表了一項新研究，介紹了一種突破性解決方案，該方案可能會重新定義科學、醫(yī)學和工業(yè)領(lǐng)域的光學成像。
鄭教授說：“這項突破的核心在于一個長期存在的技術(shù)難題。合成孔徑成像——也就是事件視界望遠鏡拍攝黑洞照片所采用的方法——通過將多個獨立傳感器的測量結(jié)果相干地結(jié)合起來，來模擬一個更大的成像孔徑�！�
在射電天文學中，這之所以可行，是因為射電波的波長要長得多，使得傳感器之間的精確同步成為可能。但在可見光波段，由于所關(guān)注的尺度要小幾個數(shù)量級，傳統(tǒng)的同步要求幾乎無法在物理上得到滿足。
MASI如何克服光學障礙
多尺度孔徑合成成像儀（MASI）徹底顛覆了這一挑戰(zhàn)。它并非要求多個光學傳感器完美同步運行（這需要納米級的精度），而是讓每個傳感器獨立測量光線，然后利用計算算法同步數(shù)據(jù)。
鄭解釋說，這就像讓多位攝影師拍攝同一場景，但不是以普通照片的形式，而是以光波特性的原始測量值的形式，然后讓軟件將這些獨立拍攝的圖像拼接成一張超高分辨率的圖像。
這種計算相位同步方案消除了對剛性干涉裝置的需要，而剛性干涉裝置正是此前阻礙光學合成孔徑系統(tǒng)實際部署的關(guān)鍵因素。
MASI獨特的成像方法
MASI 與傳統(tǒng)光學成像技術(shù)在兩個方面存在根本性的差異。它并非依靠透鏡將光聚焦到傳感器上，而是部署了一組編碼傳感器，這些傳感器位于衍射平面的不同部分。
MASI成像技術(shù)拍攝的彈殼圖像。上圖：捕獲的復雜電場包含振幅（亮度）和相位（顏色）信息。下圖：該數(shù)據(jù)能夠以微米級分辨率進行三維重建，顯示擊針印痕——這一獨特的標記可以將彈殼與特定槍支聯(lián)系起來。圖片來源：康涅狄格大學
每臺儀器都能捕捉到原始衍射圖樣——本質(zhì)上就是光波與物體相互作用后的傳播方式。這些衍射測量數(shù)據(jù)包含振幅和相位信息，這些信息可以通過計算算法進行恢復。
一旦恢復了每個傳感器的復雜波場，系統(tǒng)便會對波場進行數(shù)字填充，并通過數(shù)值方法將其傳播回物平面。然后，采用計算相位同步方法迭代地調(diào)整每個傳感器數(shù)據(jù)的相對相位偏移，以最大化統(tǒng)一重建的整體相干性和能量。
這一步驟是關(guān)鍵創(chuàng)新：MASI 通過在軟件中優(yōu)化組合波場而不是物理對準傳感器，克服了衍射極限和傳統(tǒng)光學施加的其他限制。
結(jié)果如何？虛擬合成孔徑比任何單個傳感器都大，無需鏡頭即可實現(xiàn)亞微米分辨率和廣域覆蓋。
MASI的優(yōu)勢和未來潛力
無論是顯微鏡、相機還是望遠鏡，傳統(tǒng)鏡頭都迫使設(shè)計者做出權(quán)衡。為了分辨更小的特征，鏡頭必須更靠近物體，通常只有幾毫米，這限制了工作距離，使得某些成像任務變得不切實際或具有侵入性。
MASI技術(shù)完全摒棄了透鏡，能夠從幾厘米外捕捉衍射圖樣，并重建分辨率低至亞微米級的圖像。這就像隔著桌面就能觀察頭發(fā)上的細微紋理，而無需將其湊到眼前觀察一樣。
鄭表示：“MASI的潛在應用領(lǐng)域非常廣泛，從法醫(yī)學和醫(yī)學診斷到工業(yè)檢測和遙感等領(lǐng)域都有應用�！�
“但最令人興奮的是它的可擴展性——與隨著規(guī)模擴大而呈指數(shù)級增長的傳統(tǒng)光學器件不同，我們的系統(tǒng)可以線性擴展，有可能實現(xiàn)我們甚至還沒有想象過的大型陣列應用�！�
多尺度孔徑合成成像儀（MASI）代表了光學成像領(lǐng)域的一次范式轉(zhuǎn)變：它通過計算克服了物理光學帶來的根本限制。MASI 將測量與同步解耦，并用軟件控制的傳感器陣列取代了笨重的透鏡，從而開辟了高分辨率、靈活且可擴展的成像新領(lǐng)域。
更多信息： Ruihai Wang 等人，《多尺度孔徑合成成像儀》，《自然通訊》(2025)。DOI ：10.1038/s41467-025-65661-8
期刊信息： 《自然通訊》
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