12 月 24 日消息，康涅狄格大學研發(fā)的一項全新成像技術有望改寫光學成像的規(guī)則，無需依賴厚重的透鏡或繁瑣的物理校準，就能實現(xiàn)超高分辨率成像。

據了解，該系統(tǒng)借助計算技術、傳感器陣列和精妙算法，突破了數(shù)十年來限制光學發(fā)展的瓶頸。

這項突破源自鄭國安（Guoan Zheng，音譯）教授的實驗室，該研究團隊的靈感來自一個看似不相關的對象 —— 事件視界望遠鏡（Event Horizon Telescope）。這個全球射電望遠鏡陣列曾拍攝到人類首張黑洞照片，其通過整合多臺望遠鏡的數(shù)據，模擬出一臺口徑大得多的虛擬望遠鏡。

但長期以來，將這一思路應用于可見光領域似乎并不現(xiàn)實?？梢姽獾牟ㄩL遠短于無線電波，傳感器之間哪怕出現(xiàn)極其微小的校準偏差，都會嚴重破壞成像質量。此前，要實現(xiàn)光學傳感器的納米級精度同步，幾乎是一項不可能完成的任務。

為此，鄭國安團隊另辟蹊徑，徹底繞開了物理同步的技術路徑。這項技術的產物就是多尺度孔徑綜合成像儀（MASI），該設備不再要求傳感器保持完全同步運行，而是讓每一個傳感器獨立測量光線，再通過計算算法對采集到的數(shù)據進行后期同步處理，最終重建出一幅清晰連貫的圖像。

鄭國安表示：“這項突破的核心，是攻克了一個長期存在的技術難題。事件視界望遠鏡正是憑借綜合孔徑成像技術拍攝到黑洞，該技術通過將多個分離傳感器的測量數(shù)據進行相干合成，模擬出一個口徑更大的成像孔徑?！?/p>

MASI 用一組排布在衍射平面不同位置的編碼傳感器取代了傳統(tǒng)透鏡。每一個傳感器都會捕捉原始衍射圖案，這些圖案包含了光線與被測物體作用后的亮度和相位信息。

研究人員會對這些測量數(shù)據進行處理，還原每個傳感器捕捉到的復雜波場；隨后對波場數(shù)據進行數(shù)字填充，并通過數(shù)值計算反向推演至物體平面；再利用一種計算相位同步方法，對數(shù)據進行迭代校準，最大化合成圖像的相干性。

這種由軟件驅動的同步方式，摒棄了長期阻礙實用型光學綜合孔徑系統(tǒng)發(fā)展的剛性干涉測量裝置，最終構建出一個口徑遠超單個傳感器的虛擬孔徑。

這項技術的成果令人矚目。MASI 無需透鏡，僅在數(shù)厘米的工作距離內，就能在大視場范圍內實現(xiàn)亞微米級分辨率成像。而傳統(tǒng)光學設備往往需要在分辨率、視場范圍和物距之間做出取舍。

研究團隊通過對子彈殼的成像實驗驗證了該系統(tǒng)的性能：設備清晰捕捉到了撞針印痕等微米級細節(jié)。這類痕跡可用于將彈藥與特定槍支進行匹配，凸顯出該技術在法醫(yī)學領域的應用潛力。

鄭國安指出：“MASI 的潛在應用覆蓋多個領域，包括法醫(yī)學、醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測和遙感技術等。但最令人振奮的是它的可擴展性?！?/p>

傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的復雜度會隨規(guī)模擴大呈指數(shù)級增長，而 MASI 的復雜度僅呈線性增長，增加傳感器數(shù)量即可提升性能，且不會產生難以解決的校準難題。

除成像領域外，這項研究還印證了工程學領域的一個大趨勢：借助計算技術突破曾被視為不可逾越的物理限制。

這項發(fā)表于《自然?通訊》的研究指出，通過將測量過程與同步過程解耦，MASI 開辟了一個全新的技術領域 —— 在這個領域中，定義光學系統(tǒng)成像能力的核心要素，不再是鏡片，而是軟件。