这项新的成像技术打破了光学规则

《自然·通讯》新发表的一项研究提出了一条可能的前进道路。这项工作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领导。他们的研究成果引入了一种新的成像方法，可能会重塑光学系统在科学、医学和工业领域的设计和使用方式。

为何合成孔径成像在光学领域存在不足

"这项突破的核心在于一个长期存在的技术难题，"郑国安说。"合成孔径成像——即让事件视界望远镜能够拍摄黑洞图像的方法——其原理是通过相干地结合来自多个分离传感器的测量数据，来模拟一个更大的成像孔径。"

这一策略在射电天文学中非常成功，因为无线电波波长较长，使得精确同步分布广泛的传感器收集到的信号成为可能。然而，可见光的波长尺度要小得多。在这样的波长下，要保持多个传感器完美同步所需的物理精度，使用传统方法即使不是不可能，也变得异常困难。

MASI与软件优先的同步方法

多尺度孔径合成成像仪采取了一种根本不同的方法来应对这一挑战。MASI不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地收集光线，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喻为一群摄影师拍摄同一场景。每位摄影师不是拍摄传统照片，而是记录关于光波行为的原始信息。然后，软件将这些独立的测量结果组合成一张极其高分辨率的图像。

通过计算处理相位同步，MASI避免了长期以来限制光学合成孔径系统实用性的刚性干涉测量设置。

MASI中的无透镜成像如何工作

MASI在两个主要方面与传统光学成像不同。首先，它完全摒弃了透镜。该系统不使用玻璃来聚焦光线，而是在衍射平面内的不同位置放置一个编码传感器阵列。每个传感器记录衍射图案，这些图案描述了光波与物体相互作用后如何传播。这些图案包含振幅和相位信息，日后可以通过计算技术恢复。

在每个传感器的复波场被重建后，系统对数据进行数字扩展，并在数学上将波场传播回物平面。随后，一个计算相位同步过程会调整传感器之间的相对相位差。这种迭代优化增强了相干性，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绕开了衍射极限和其他传统上制约光学成像系统的限制。

具有亚微米分辨率的虚拟孔径

其结果是一个比任何单个传感器都大得多的虚拟合成孔径。这使得无需使用透镜，就能实现亚微米分辨率的同时覆盖宽视场的成像。

显微镜、相机和望远镜中使用的传统透镜迫使工程师做出取舍。要实现更高的分辨率，通常意味着将透镜极其靠近物体，有时只有几毫米的距离。这种短工作距离在某些应用中会使成像变得困难、不切实际，甚至具有侵入性。

MASI通过从厘米级的距离捕获衍射图案，消除了这一限制。该系统仍然能以亚微米的细节重建图像。郑国安将其比作从桌子对面观察人类头发的微小脊线，而不是将其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

"MASI的潜在应用跨越多个领域，从法证科学、医学诊断到工业检测和遥感，"郑国安说，"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大会变得指数级复杂不同，我们的系统是线性扩展的，这有可能为实现大型阵列铺平道路，用于我们甚至尚未想象的应用。"

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，并用软件驱动的传感器阵列取代笨重的光学组件，MASI展示了计算如何能够克服物理光学施加的限制。其结果是一个灵活、可扩展的成像框架，能够以先前无法企及的方式提供高分辨率。