从利用射电望远镜阵列绘制遥远星系，到揭示活细胞内部的微观细节，成像技术已历经数十年创新。然而，一个根本性的难题一直悬而未决：在可见光波段，如何在不使用笨重镜头、且不受严格对准限制的情况下，获得高分辨率、宽视场的图像。

康涅狄格大学（UConn）生物医学与生物工程创新中心（CBBI）主任、医学生物工程教授郭安 郑（Guoan Zheng）及其在 UConn 工程学院的研究团队，最近在《Nature Communications》发表了一项突破性研究，提出一种可重新定义光学成像的方案，应用前景广泛，涵盖科学、医学与工业等多个领域。

Guoan Zheng教授的实验室开发了一种新的图像传感器，无需透镜即可实现光学超分辨率。受捕获第一张黑洞图像的望远镜阵列的启发，该设备使用多个协同工作的传感器，通过计算合并它们的观测结果来查看更精细的细节。图：康涅狄格大学

“这项突破的核心是一个长期以来的技术难题。” 郑教授说。“合成孔径成像——正是天主教事件视界望远镜能够捕捉到黑洞影像的方法——通过将多个相互分离的传感器的测量结果相干合成，从而模拟出更大的成像孔径。”

在射电天文学中，由于射电波波长较长，传感器间的精确同步几乎可行；但在可见光波段，尺度缩小数倍甚至数十倍，传统同步的物理要求几乎难以满足。

多尺度合成孔径成像仪（Multiscale Aperture Synthesis Imager，MASI）颠覆了这一难题。它不再强迫多个光学传感器在物理上实现完美同步——这将需要纳米级的精度——而是让每个传感器独立测量光，然后通过计算算法在后期实现同步。

郑教授形象地把它比作：想象有多位摄影师同时拍摄同一场景，但不是普通照片，而是原始光波属性的测量；随后软件将这些独 吉的捕获拼接成一张超高分辨率的图像。

这种计算相位同步的方案消除了刚性干涉仪装置的需求，正是这些刚性装置一直阻碍光学合成孔径系统实用化的根本原因。

MASI 在两大方面脱离了传统光学成像的束缚。它不依赖镜头把光聚焦到传感器上，而是将一组“编码”传感器（即每个传感器具有不同的编码模式）安放在衍射平面的不同位置。

示例：由 MASI 成像的子弹弹壳 上图：捕获到的复数电场包含振幅（亮度）与相位（色彩）信息。 下图：利用这些数据在数值上恢复三维结构，精细到微米级，显示击针印记——可将弹壳与特定枪匹配的唯一标记。 图：康涅狄格州立大学

每个传感器都捕获原始衍射图样——本质上是光波与物体相互作用后传播开来的波形。衍射测量天然携带振幅与相位信息，后续通过计算算法完成相位恢复。

在每个传感器的复波场被恢复后，系统会数字补零、数值传播波场至物体平面。随后使用计算相位同步方法，迭代调整各传感器数据的相对相位偏移，以最大化统一重建中的整体相干性与能量。

这一环节是关键创新：在软件中对组合波场进行优化，而非在物理上对准传感器，从而突破衍射极限及传统光学所施加的其他限制。

最终，MASI 构造了一个“虚拟”合成孔径，其大小远超任何单一传感器，从而实现亚微米级分辨率与宽视场的成像，而无需任何传统镜头。

传统镜头——无论用于显微镜、相机还是望远镜——都迫使设计者在分辨率、工作距离和光学重量之间做出权衡。要想分辨更小的特征，镜头必须更靠近物体，往往只在几毫米内，限制了工作距离，使某些成像任务变得不切实际或侵入性强。

MASI 彻底消除了镜头，能够在数厘米之外捕获衍射图样，并在计算层面重建到亚微米分辨率的图像。它类似于在桌面上观察一根人发丝的细纹路，而非把发丝拉近至几英寸之处。

“MASI 的潜在应用涵盖了多学科领域，从法医科学、医学诊断，到工业检测、遥感等。” 郑教授说。 “更令人激动的是其可扩展性——与传统光学相比，随着尺寸的增大，传统系统的复杂度呈指数增长，而我们的系统线性扩展，甚至有望实现我们目前尚未想象到的大型阵列应用。”

MASI 正是一次 光学成像范式的根本性变革：它让计算在解决物理光学的根本限制（如衍射极限）中发挥核心作用。通过将测量与同步分离，并用软件代替笨重镜头，MASI 开辟了一个高分辨率、灵活且可扩展的新成像领域。

文中核心信息奇奇参考自论文 "Multiscale aperture synthesis imager"（Nature Communications，2025 年），本内容在此相关信息基础上编撰而成，其中配图，未标注出处者，均为自制或公开图库素材。