成像工具極大地改變了科學家研究世界的方式，從用射電望遠鏡陣列繪製遙遠的星系圖到揭示活細胞內部的複雜結構。儘管取得了數十年的進步，但一個主要障礙仍然存在。在光學波長下，如果不依賴大鏡頭或超精確的物理對準，很難捕獲高精度且覆蓋大範圍的圖像。
最近發表在 自然通訊 提供了一種可能的方式。這項工作由生物醫學工程教授、康涅狄格大學生物醫學和生物工程創新中心（CBBI）主任鄭國安及其康涅狄格大學工程學院的研究團隊領導。他們的發現提出了一種新的成像方法，可以重塑光學系統在科學、醫學和工業中的設計和使用方式。
為什麼合成孔徑成像光學器件短缺
“這一進步的背後是一個長期存在的技術問題，”鄭說。 “合成孔徑成像——事件視界望遠鏡能夠對黑洞成像的方法——通過連貫地組合來自多個單獨傳感器的測量結果來模擬更大的成像孔徑。”
這種策略在射電天文學中非常成功，因為無線電波具有長波長，並且可以精確同步廣闊空間中的傳感器接收到的信號。然而，可見光的作用範圍要小得多。在這些波長下，使用傳統方法實現保持多個傳感器完美同步所需的物理精度即使不是不可能，也是極其困難的。
軟件優先的 MASI 和同步方法
多尺度孔徑合成成像儀 (MASI) 採用了一種截然不同的方法來應對這一挑戰。 MASI 不需要光學傳感器進行精確的物理對準，而是允許每個傳感器獨立收集光線。測量完成後，使用先進的計算算法來同步數據。
鄭將這個想法比作一群攝影師捕捉同一場景。每個攝影師都記錄有關光波行為的原始信息，而不是拍攝傳統照片。然後，該軟件將這些測量結果組合成單個高分辨率圖像。
通過計算管理相位同步，MASI 避免了長期以來限制實用光學合成孔徑系統的剛性干涉裝置。
無透鏡成像在 MASI 中的工作原理
MASI 在兩個主要方面與傳統光學成像不同。首先，它完全去除鏡片。該系統不是通過玻璃聚焦光線，而是使用位於衍射平面內的編碼傳感器陣列。每個傳感器都會記錄衍射圖案，描述光波與物體相互作用後如何傳播。這些模式包含幅度和相位信息，稍後可以使用計算技術來恢復。
重建每個傳感器的複雜波場後，系統以數字方式擴展數據，並以數學方式將波場延伸到物平面。然後，計算相位同步過程調整傳感器之間的相對相位差。這種迭代優化增加了相干性並將能量集中在最終的重建圖像上。
這種基於軟件的對齊是一項重大創新。通過用計算優化取代物理精度，MASI 繞過了傳統上控制光學成像系統的衍射極限和其他限制。
具有亞微米分辨率的虛擬孔徑
結果是虛擬合成孔徑比任何單個傳感器都要大得多。這使得在不使用鏡頭的情況下能夠以亞微米分辨率成像，同時覆蓋寬廣的視野。
顯微鏡、相機和望遠鏡中使用的傳統鏡頭迫使工程師做出權衡。實現更高分辨率意味著將鏡頭放置在非常靠近物體的位置，有時在幾毫米之內。如此短的工作距離會使成像變得困難、不切實際，甚至在某些應用中具有侵入性。
MASI 通過捕獲以厘米為單位測量的距離上的衍射圖案，消除了這一限制。該系統仍然可以重建具有亞微米細節的圖像。鄭將其比作掃描桌子上人類頭髮的細小尖端，而不是把它放在距離眼睛幾英寸的地方。
跨科學和工業的可擴展成像
“MASI 的潛在應用涵蓋廣泛的領域，從法醫科學和醫療診斷到工業檢測和遙感，”鄭說，“但最令人興奮的是可擴展性；與傳統光學器件隨著發展而復雜程度呈指數級增長不同，我們的系統可線性擴展，為我們尚未想像的應用提供大型陣列。”
多尺度孔徑合成成像儀代表了光學成像的新方向。通過將測量與同步分離並用軟件驅動的傳感器陣列取代重型光學元件，MASI 展示了計算如何克服物理光學帶來的限制。其結果是一個靈活、可擴展的成像框架，能夠以以前無法實現的方式提供高分辨率。
