成像技术彻底改变了我们观测宇宙的方式——从利用射电望远镜阵列绘制遥远星系的地图，到揭示活细胞内部的微观细节。然而，尽管数十年来不断创新，一个根本性的障碍依然存在：如何在不使用笨重镜头或严格对准限制的情况下，在光学波长范围内获取高分辨率、广角图像。

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) 主任郑国安及其康涅狄格大学工程学院的研究团队在《自然通讯》上发表了一项新研究，介绍了一种突破性解决方案，该方案可能会重新定义科学、医学和工业领域的光学成像。

郑教授说：“这项突破的核心在于一个长期存在的技术难题。合成孔径成像——也就是事件视界望远镜拍摄黑洞照片所采用的方法——通过将多个独立传感器的测量结果相干地结合起来，来模拟一个更大的成像孔径。”

在射电天文学中，这之所以可行，是因为射电波的波长要长得多，使得传感器之间的精确同步成为可能。但在可见光波段，由于所关注的尺度要小几个数量级，传统的同步要求几乎无法在物理上得到满足。

MASI如何克服光学障碍

多尺度孔径合成成像仪（MASI）彻底颠覆了这一挑战。它并非要求多个光学传感器完美同步运行（这需要纳米级的精度），而是让每个传感器独立测量光线，然后利用计算算法同步数据。

郑解释说，这就像让多位摄影师拍摄同一场景，但不是以普通照片的形式，而是以光波特性的原始测量值的形式，然后让软件将这些独立拍摄的图像拼接成一张超高分辨率的图像。

这种计算相位同步方案消除了对刚性干涉装置的需要，而刚性干涉装置正是此前阻碍光学合成孔径系统实际部署的关键因素。

MASI独特的成像方法

MASI 与传统光学成像技术在两个方面存在根本性的差异。它并非依靠透镜将光聚焦到传感器上，而是部署了一组编码传感器，这些传感器位于衍射平面的不同部分。

MASI成像技术拍摄的弹壳图像。上图：捕获的复杂电场包含振幅（亮度）和相位（颜色）信息。下图：该数据能够以微米级分辨率进行三维重建，显示击针印痕——这一独特的标记可以将弹壳与特定枪支联系起来。图片来源：康涅狄格大学

每台仪器都能捕捉到原始衍射图样——本质上就是光波与物体相互作用后的传播方式。这些衍射测量数据包含振幅和相位信息，这些信息可以通过计算算法进行恢复。

一旦恢复了每个传感器的复杂波场，系统便会对波场进行数字填充，并通过数值方法将其传播回物平面。然后，采用计算相位同步方法迭代地调整每个传感器数据的相对相位偏移，以最大化统一重建的整体相干性和能量。

这一步骤是关键创新：MASI 通过在软件中优化组合波场而不是物理对准传感器，克服了衍射极限和传统光学施加的其他限制。

结果如何？虚拟合成孔径比任何单个传感器都大，无需镜头即可实现亚微米分辨率和广域覆盖。

MASI的优势和未来潜力

无论是显微镜、相机还是望远镜，传统镜头都迫使设计者做出权衡。为了分辨更小的特征，镜头必须更靠近物体，通常只有几毫米，这限制了工作距离，使得某些成像任务变得不切实际或具有侵入性。

MASI技术完全摒弃了透镜，能够从几厘米外捕捉衍射图样，并重建分辨率低至亚微米级的图像。这就像隔着桌面就能观察头发上的细微纹理，而无需将其凑到眼前观察一样。

郑表示：“MASI的潜在应用领域非常广泛，从法医学和医学诊断到工业检测和遥感等领域都有应用。”

“但最令人兴奋的是它的可扩展性——与随着规模扩大而呈指数级增长的传统光学器件不同，我们的系统可以线性扩展，有可能实现我们甚至还没有想象过的大型阵列应用。”

多尺度孔径合成成像仪（MASI）代表了光学成像领域的一次范式转变：它通过计算克服了物理光学带来的根本限制。MASI 将测量与同步解耦，并用软件控制的传感器阵列取代了笨重的透镜，从而开辟了高分辨率、灵活且可扩展的成像新领域。

更多信息： Ruihai Wang 等人，《多尺度孔径合成成像仪》，《自然通讯》(2025)。DOI ：10.1038/s41467-025-65661-8

期刊信息： 《自然通讯》