新型图像传感器，突破光学极限

成像技术彻底改变了人类观测宇宙的方式，从利用射电望远镜阵列绘制遥远星系的图谱，到揭示活体细胞内部的微观细节。然而，历经数十年的技术革新，一个根本性难题始终未能突破：如何在无需笨重透镜、无严苛对准限制的前提下，捕捉到可见光波段的高分辨率大视场图像。

近日，康涅狄格大学生物医学工程教授、该校生物医学与生物工程创新中心主任Guoan Zheng及其工程学院研究团队在《自然・通讯》发表的一项新研究，提出了一项突破性解决方案，有望重新定义科学、医学和工业领域的光学成像技术。

Guoan Zheng表示，“这项突破的核心，要从一个长期存在的技术难题说起。综合孔径成像技术曾助力事件视界望远镜拍摄到黑洞图像，其原理是将多个分离传感器的测量数据进行相干合成，以此模拟一个口径大得多的成像系统。”

在射电天文学领域，该技术的应用具备可行性，原因在于无线电波的波长要长得多，这让传感器之间的精确同步成为可能。但在可见光波段，目标观测尺度要小上好几个数量级，传统的同步要求在物理层面几乎无法实现。

MASI如何突破光学瓶颈

多尺度综合孔径成像仪（MASI）另辟蹊径，颠覆了传统思路。它不再要求多个光学传感器实现完美的物理同步，而是让每个传感器独立测量光信号，再通过计算算法对采集到的数据进行后期同步处理。

Guoan Zheng解释道，这个过程就好比让多名摄影师拍摄同一场景，但他们记录的并非普通照片，而是光波特性的原始测量数据，随后由软件将这些独立采集的信息拼接成一张超高分辨率图像。

这种计算相位同步方案，摒弃了以往阻碍光学综合孔径系统走向实际应用的刚性干涉测量装置。

MASI 独特的成像原理

MASI 在两个关键方面突破了传统光学成像的框架。它不再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。

每个传感器都会捕捉原始的衍射图样，本质上就是光波与物体相互作用后的传播形态。这些衍射测量数据同时包含振幅和相位信息，可通过计算算法对其进行还原。

当所有传感器的复波场数据被还原后，系统会对这些波场数据进行数字填充，并通过数值计算将其反向传播至物平面。随后，计算相位同步技术会反复调整各传感器数据的相对相位偏移量，从而最大化统一重建图像的整体相干性和能量。

这一步骤正是技术创新的核心：通过软件对合成波场进行优化，而非对传感器进行物理对准，MASI 由此突破了传统光学技术固有的衍射极限及其他制约因素。最终达成的效果是：构建出一个虚拟综合孔径，其口径远超任何单个传感器，实现了无透镜条件下的亚微米级分辨率成像和大视场覆盖。

MASI 的优势与未来应用潜力

无论是显微镜、相机还是望远镜，传统透镜技术都迫使设计者陷入一种 “权衡困境”：若要分辨更微小的特征，透镜必须更靠近观测目标，通常需控制在毫米级范围内，这不仅限制了工作距离，还让某些成像任务变得不切实际，甚至具有侵入性。

MASI 技术则完全摆脱了透镜的束缚，能够在距离目标数厘米的位置捕捉衍射图样，并重建出分辨率达亚微米级的图像。这就好比无需将一根头发丝凑到眼前几英寸处，而是隔着整张桌面，就能清晰观察到发丝表面的细微纹理。

Guoan Zheng表示，“MASI 的潜在应用领域十分广泛，涵盖法医学、医学诊断、工业检测和遥感技术等多个方面。但最令人振奋的是这项技术的可扩展性，传统光学系统的复杂度会随规模扩大呈指数级增长，而我们的系统仅呈线性增长，未来有望构建大规模传感器阵列，开拓出诸多目前尚无法想象的应用场景。”

MASI的问世标志着光学成像领域的一次范式变革：它以计算能力突破了物理光学的根本性局限。通过将测量环节与同步环节解耦，并用软件控制的传感器阵列取代体积庞大的透镜，MASI 为成像技术开辟了全新赛道，实现了兼具高分辨率、高灵活性与高可扩展性的成像能力。