康涅狄格大学研究团队近日报道，他们受天文学家成像黑洞技术的启发，开发出一种无透镜图像传感器系统，在无需传统光学透镜的条件下，实现了亚微米级三维分辨率成像。研究人员表示，该技术在法医科学、医学诊断、工业检测及遥感等领域具有潜在应用前景。

据介绍，这一系统被命名为“多尺度孔径合成成像仪”（Multi-scale Aperture Synthesizer Imager，MASI），相关论文已发表于《自然通讯》（Nature Communications）。论文通讯作者、康涅狄格大学郑国安教授表示，该成果针对的是一个长期存在的技术难题。

借鉴射电天文学的合成孔径思路

郑国安介绍，合成孔径成像的基本思路，是通过将多个分离传感器的测量结果进行相干叠加，从而在计算上模拟出一个远大于单个传感器的有效成像孔径。在射电天文学中，由于无线电波波长较长，传感器之间的精确同步在工程上相对可行，这一方法已被广泛用于高分辨率观测，包括黑洞成像等。

然而，在可见光波段，感兴趣的空间尺度比无线电波段小几个数量级，要在物理上实现多传感器的严格同步几乎不可行，这也长期限制了光学合成孔径技术的应用。

通过计算相位同步绕开物理同步难题

研究团队提出的MASI系统试图绕开这一限制。与传统要求多路光学传感器在物理层面严格同步不同，MASI允许每个传感器独立工作，分别记录光线信息，随后通过计算算法在数据层面实现“后期同步”。

郑国安将这一过程比喻为：好比多位摄影师同时拍摄同一场景，但记录的不是普通照片，而是光波属性的原始测量数据，之后由软件将这些独立数据拼接，重构出一幅超高分辨率图像。

研究团队指出，这种计算相位同步方案消除了对刚性干涉仪结构的依赖，而刚性干涉仪正是传统光学合成孔径系统在实际部署中面临的关键工程障碍之一。

无透镜架构与衍射信息重构

在成像架构上，MASI与传统透镜成像有本质区别。常规显微镜、相机或望远镜依赖透镜将光线聚焦到探测器上，设计中往往需要在分辨率、视场和工作距离之间做权衡。要获得更高分辨率，透镜通常需要靠近被测物体，工作距离往往被限制在几毫米量级，使部分应用场景变得困难甚至不适用。

MASI则完全摒弃透镜，不再通过聚焦成像，而是在衍射面不同位置布置一组编码传感器。每个传感器记录的是物体与光波相互作用后形成的原始衍射图样，即光波在空间中的扩散方式。这些衍射测量同时包含振幅和相位信息。

在数据处理阶段，系统首先利用算法恢复每个传感器对应的复波场，然后对这些波场进行数字填充，并数值传播回物体所在平面。随后，计算相位同步方法会迭代调整各传感器数据之间的相对相位偏移，以最大化统一重构图像中的整体相干性和能量分布。

研究团队认为，这一基于软件的相位优化步骤是MASI的关键创新所在：通过在计算域中优化合成波场，而非在物理空间中精确对齐传感器，系统得以突破传统光学的部分限制，包括由衍射极限带来的约束。

构建虚拟大孔径 实现亚微米分辨率

通过上述流程，MASI在数值上构建出一个远大于任一单个传感器的“虚拟合成孔径”。在实验中，研究人员报告称，该系统能够在几厘米距离外采集衍射图样，并重构出具有亚微米级分辨率的图像，同时保持较宽的视场覆盖。

研究团队将这一能力形容为：在不需要将物体靠近探测装置的情况下，从较远位置观察到类似人类头发表面细微纹理级别的细节。

潜在应用与扩展方向

郑国安表示，MASI的潜在应用场景包括法医科学、医学诊断、工业质量检测以及遥感成像等。他同时指出，相较于传统光学系统在尺寸和复杂度上的扩展特性，MASI在设计上更有利于线性扩展，有望在未来构建更大规模的传感器阵列，用于更大范围的成像任务。

该研究由R. Wang等人完成，论文题为《多尺度孔径合成成像仪》（Multi-scale Aperture Synthesizer Imager），发表于2025年《自然通讯》第16卷，文章编号10582，DOI为10.1038/s41467-025-65661-8。