Guoan Zheng教授的實驗室開發(fā)了一種無需鏡頭即可實現(xiàn)光學(xué)超分辨率的新型圖像傳感器。該設(shè)備受捕捉首張黑洞圖像的望遠(yuǎn)鏡陣列啟發(fā)，利用多個傳感器協(xié)同工作，計算合并觀測數(shù)據(jù)以觀察更細(xì)致細(xì)節(jié)。

成像技術(shù)已經(jīng)徹底改變了我們觀察宇宙的方式——從用射電望遠(yuǎn)鏡陣列測繪遙遠(yuǎn)星系，到揭示活細(xì)胞內(nèi)部的微觀細(xì)節(jié)。然而，盡管經(jīng)過數(shù)十年的創(chuàng)新，一個根本性的障礙始終存在：如何在無需笨重透鏡或嚴(yán)格對準(zhǔn)限制的情況下，捕獲光學(xué)波長的高分辨率、大視場圖像。

由康涅狄格大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程教授、生物醫(yī)學(xué)與生物工程創(chuàng)新中心主任鄭國安及其在康涅狄格大學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊完成的一項新研究，發(fā)表在《自然·通訊》上，介紹了一項可能重新定義科學(xué)、醫(yī)學(xué)和工業(yè)領(lǐng)域光學(xué)成像的突破性解決方案。

Guoan Zheng說："這一突破的核心是一個長期存在的技術(shù)難題，合成孔徑成像——正是這種方法讓事件視界望遠(yuǎn)鏡能夠給黑洞成像——其原理是通過相干地組合來自多個分離傳感器的測量數(shù)據(jù)，以模擬一個更大的成像孔徑。"

在射電天文學(xué)中，這是可行的，因為無線電波的波長要長得多，使得傳感器之間的精確同步成為可能。但在可見光波長下，感興趣的尺度要小幾個數(shù)量級，傳統(tǒng)的同步要求幾乎無法在物理上實現(xiàn)。

MASI如何突破光學(xué)壁壘

多尺度孔徑合成成像儀 徹底改變了應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的思路。它不再強(qiáng)迫多個光學(xué)傳感器以完美的物理同步運(yùn)行(這需要納米級的精度)，而是讓每個傳感器獨立測量光線，然后使用計算算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期同步。

Guoan Zheng解釋說，這就像讓多位攝影師拍攝同一場景，但不是作為普通照片，而是作為光波特性的原始測量數(shù)據(jù)，然后讓軟件將這些獨立的捕捉結(jié)果拼接成一張超高分辨率的圖像。

這種計算相位同步方案，消除了以往阻礙光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)實際應(yīng)用的剛性干涉儀設(shè)置需求。

MASI獨特的成像方法

MASI在兩個方面與傳統(tǒng)光學(xué)成像有根本性不同。它不依賴透鏡將光線聚焦到傳感器上，而是在衍射平面的不同位置部署一個編碼傳感器陣列。

由MASI成像的子彈殼。上圖：捕獲的復(fù)電場同時包含振幅(亮度)和相位(顏色)信息。下圖：該數(shù)據(jù)能以微米分辨率進(jìn)行三維重建，顯示了撞針痕跡——這是一種能將彈殼與特定槍支聯(lián)系起來的獨特標(biāo)記。(圖片來源：康涅狄格大學(xué))

每個傳感器捕獲原始的衍射圖案——本質(zhì)上是光波與物體相互作用后的擴(kuò)散方式。這些衍射測量值同時包含振幅和相位信息，可通過計算算法復(fù)原。

一旦恢復(fù)每個傳感器的復(fù)雜波場，系統(tǒng)就會對波場進(jìn)行數(shù)字填充和數(shù)值傳播，使其回到物平面。然后，一種計算相位同步方法會迭代調(diào)整每個傳感器數(shù)據(jù)的相對相位偏移，以最大化統(tǒng)一重建中的整體相干性和能量。

這一步是關(guān)鍵創(chuàng)新：通過在軟件中優(yōu)化組合波場，而非在物理上對齊傳感器，MASI克服了衍射極限以及傳統(tǒng)光學(xué)施加的其他限制。

結(jié)果如何?一個比任何單個傳感器都大的虛擬合成孔徑，無需透鏡即可實現(xiàn)亞微米分辨率和寬視場覆蓋。

MASI的優(yōu)勢與未來潛力

無論是顯微鏡、相機(jī)還是望遠(yuǎn)鏡，傳統(tǒng)透鏡都迫使設(shè)計者進(jìn)行取舍。為了分辨更小的特征，透鏡必須更靠近物體，通常要在毫米以內(nèi)，這限制了工作距離，并使某些成像任務(wù)變得不切實際或具有侵入性。

MASI方法完全摒棄了透鏡，從數(shù)厘米外捕獲衍射圖案，并以低至亞微米級別的分辨率重建圖像。這類似于能夠從桌子的另一側(cè)檢查人類頭發(fā)的細(xì)微紋理，而不是將其拿到眼前幾英寸的地方。

Guoan Zheng說："MASI的潛在應(yīng)用跨越多個領(lǐng)域，從法醫(yī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷到工業(yè)檢測和遙感。但最令人興奮的是其可擴(kuò)展性——不同于傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在增大時會變得指數(shù)級復(fù)雜，我們的系統(tǒng)是線性擴(kuò)展的，這可能使我們能夠為尚未設(shè)想的應(yīng)用構(gòu)建大型陣列。"

多尺度孔徑合成成像儀代表了光學(xué)成像領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)變：計算解決了物理光學(xué)施加的根本限制。通過將測量與同步解耦，并用軟件控制的傳感器陣列取代笨重的透鏡，MASI開啟了一個高分辨率、靈活且可擴(kuò)展的成像新領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇