Guoan Zheng教授的實驗室開發(fā)了一種無需鏡頭即可實現(xiàn)光學超分辨率的新型圖像傳感器。該設備受捕捉首張黑洞圖像的望遠鏡陣列啟發(fā)，利用多個傳感器協(xié)同工作，計算合并觀測數(shù)據(jù)以觀察更細致細節(jié)。

成像技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們觀察宇宙的方式——從用射電望遠鏡陣列測繪遙遠星系，到揭示活細胞內(nèi)部的微觀細節(jié)。然而，盡管經(jīng)過數(shù)十年的創(chuàng)新，一個根本性的障礙始終存在：如何在無需笨重透鏡或嚴格對準限制的情況下，捕獲光學波長的高分辨率、大視場圖像。

由康涅狄格大學生物醫(yī)學工程教授、生物醫(yī)學與生物工程創(chuàng)新中心主任鄭國安及其在康涅狄格大學工程學院的研究團隊完成的一項新研究，發(fā)表在《自然·通訊》上，介紹了一項可能重新定義科學、醫(yī)學和工業(yè)領(lǐng)域光學成像的突破性解決方案。

Guoan Zheng說："這一突破的核心是一個長期存在的技術(shù)難題，合成孔徑成像——正是這種方法讓事件視界望遠鏡能夠給黑洞成像——其原理是通過相干地組合來自多個分離傳感器的測量數(shù)據(jù)，以模擬一個更大的成像孔徑。"

在射電天文學中，這是可行的，因為無線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。但在可見光波長下，感興趣的尺度要小幾個數(shù)量級，傳統(tǒng)的同步要求幾乎無法在物理上實現(xiàn)。

MASI如何突破光學壁壘

多尺度孔徑合成成像儀 徹底改變了應對這一挑戰(zhàn)的思路。它不再強迫多個光學傳感器以完美的物理同步運行(這需要納米級的精度)，而是讓每個傳感器獨立測量光線，然后使用計算算法對數(shù)據(jù)進行后期同步。

Guoan Zheng解釋說，這就像讓多位攝影師拍攝同一場景，但不是作為普通照片，而是作為光波特性的原始測量數(shù)據(jù)，然后讓軟件將這些獨立的捕捉結(jié)果拼接成一張超高分辨率的圖像。

這種計算相位同步方案，消除了以往阻礙光學合成孔徑系統(tǒng)實際應用的剛性干涉儀設置需求。

MASI獨特的成像方法

MASI在兩個方面與傳統(tǒng)光學成像有根本性不同。它不依賴透鏡將光線聚焦到傳感器上，而是在衍射平面的不同位置部署一個編碼傳感器陣列。

由MASI成像的子彈殼。上圖：捕獲的復電場同時包含振幅(亮度)和相位(顏色)信息。下圖：該數(shù)據(jù)能以微米分辨率進行三維重建，顯示了撞針痕跡——這是一種能將彈殼與特定槍支聯(lián)系起來的獨特標記。(圖片來源：康涅狄格大學)

每個傳感器捕獲原始的衍射圖案——本質(zhì)上是光波與物體相互作用后的擴散方式。這些衍射測量值同時包含振幅和相位信息，可通過計算算法復原。

一旦恢復每個傳感器的復雜波場，系統(tǒng)就會對波場進行數(shù)字填充和數(shù)值傳播，使其回到物平面。然后，一種計算相位同步方法會迭代調(diào)整每個傳感器數(shù)據(jù)的相對相位偏移，以最大化統(tǒng)一重建中的整體相干性和能量。

這一步是關(guān)鍵創(chuàng)新：通過在軟件中優(yōu)化組合波場，而非在物理上對齊傳感器，MASI克服了衍射極限以及傳統(tǒng)光學施加的其他限制。

結(jié)果如何?一個比任何單個傳感器都大的虛擬合成孔徑，無需透鏡即可實現(xiàn)亞微米分辨率和寬視場覆蓋。

MASI的優(yōu)勢與未來潛力

無論是顯微鏡、相機還是望遠鏡，傳統(tǒng)透鏡都迫使設計者進行取舍。為了分辨更小的特征，透鏡必須更靠近物體，通常要在毫米以內(nèi)，這限制了工作距離，并使某些成像任務變得不切實際或具有侵入性。

MASI方法完全摒棄了透鏡，從數(shù)厘米外捕獲衍射圖案，并以低至亞微米級別的分辨率重建圖像。這類似于能夠從桌子的另一側(cè)檢查人類頭發(fā)的細微紋理，而不是將其拿到眼前幾英寸的地方。

Guoan Zheng說："MASI的潛在應用跨越多個領(lǐng)域，從法醫(yī)科學和醫(yī)學診斷到工業(yè)檢測和遙感。但最令人興奮的是其可擴展性——不同于傳統(tǒng)光學系統(tǒng)在增大時會變得指數(shù)級復雜，我們的系統(tǒng)是線性擴展的，這可能使我們能夠為尚未設想的應用構(gòu)建大型陣列。"

多尺度孔徑合成成像儀代表了光學成像領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變：計算解決了物理光學施加的根本限制。通過將測量與同步解耦，并用軟件控制的傳感器陣列取代笨重的透鏡，MASI開啟了一個高分辨率、靈活且可擴展的成像新領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇