这项新成像技术突破了光学的常规

《自然·通讯》最新发表的一项研究提供了一种可能的前进方向。该研究由康涅狄格大学生物医学工程教授、康涅狄格大学生物医学与生物工程创新中心（CBBI）主任郑国安及其工程学院研究团队牵头。他们的发现引入了一种新的成像方法，可能会重塑科学、医学和工业领域光学系统的设计与使用方式。

为什么合成孔径成像在光学领域存在不足
郑国安表示：“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——即事件视界望远镜用于拍摄黑洞的方法——通过将多个分离传感器的测量数据相干组合，来模拟一个大得多的成像孔径。”这种策略在射电天文学中非常成功，因为无线电波波长较长，使得精确同步远距离传感器收集的信号成为可能。然而，可见光的波长要小得多。在这些波长下，使用传统方法保持多个传感器完美同步所需的物理精度变得极其困难，甚至不可能实现。

MASI与以软件为先的同步方法
多尺度孔径合成成像仪（MASI）采用了一种根本不同的方法来应对这一挑战。它不再要求光学传感器保持精确的物理对准，而是允许每个传感器独立收集光线。然后，在测量完成后，使用先进的计算算法对数据进行同步。郑国安将这个想法比作一群摄影师拍摄同一场景。每位摄影师不是拍摄传统照片，而是记录光波行为的原始信息。然后，软件将这些单独的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避免了长期限制光学合成孔径系统实用性的刚性干涉装置。

MASI中的无透镜成像原理
MASI在两个主要方面与传统光学成像不同。首先，它完全取消了透镜。该系统不是通过玻璃聚焦光线，而是在衍射平面内的不同位置放置一组编码传感器。每个传感器记录衍射图样，描述光波与物体相互作用后的传播方式。这些图样包含振幅和相位信息，稍后可通过计算技术恢复。在重建每个传感器的复波场后，系统对数据进行数字扩展，并通过数学方法将波场传播回物平面。然后，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，并将能量集中在最终重建的图像中。这种基于软件的对准是核心创新。通过用计算优化取代物理精度，MASI避开了衍射极限和其他传统上限制光学成像系统的约束。

具有亚微米分辨率的虚拟孔径
其结果是一个虚拟合成孔径，比任何单个传感器都大得多。这使得在不使用透镜的情况下，能够以亚微米分辨率成像，同时覆盖广阔的视野。显微镜、相机和望远镜中使用的传统透镜迫使工程师进行权衡。要实现更高的分辨率，通常意味着将透镜非常靠近物体，有时仅几毫米远。这种短工作距离在某些应用中可能使成像变得困难、不切实际甚至具有侵入性。MASI通过从厘米级距离捕获衍射图样来消除这一限制。该系统仍然可以重建具有亚微米细节的图像。郑国安将其比作从桌子对面检查人类头发的微小纹理，而不是将头发放在离眼睛只有几英寸的地方。

跨科学与工业的可扩展成像
郑国安说：“MASI的潜在应用跨越多个领域，从法医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——与传统光学系统随着尺寸增加而复杂度呈指数级增长不同，我们的系统呈线性扩展，有可能实现大型阵列，用于我们甚至尚未想象到的应用。”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，并将笨重的光学组件替换为软件驱动的传感器阵列，MASI展示了计算如何克服物理光学带来的限制。其结果是一个灵活、可扩展且能够以前所未有的方式提供高分辨率的成像框架。