Guoan Zheng教授的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了一種無(wú)需鏡頭即可實(shí)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(gè)傳感器協(xié)同工作，計(jì)算合并觀測(cè)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(cè)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(guò)數(shù)十年的創(chuàng)新，一個(gè)根本性的障礙始終存在：如何在無(wú)需笨重透鏡或嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)限制的情況下，捕獲光學(xué)波長(zhǎng)的高分辨率、大視場(chǎng)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(guó)安及其在康涅狄格大學(xué)工程學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)完成的一項(xiàng)新研究，發(fā)表在《自然·通訊》上，介紹了一項(xiàng)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(shuō)："這一突破的核心是一個(gè)長(zhǎng)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(guò)相干地組合來(lái)自多個(gè)分離傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，以模擬一個(gè)更大的成像孔徑。"

在射電天文學(xué)中，這是可行的，因?yàn)闊o(wú)線電波的波長(zhǎng)要長(zhǎng)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(zhǎng)下，感興趣的尺度要小幾個(gè)數(shù)量級(jí)，傳統(tǒng)的同步要求幾乎無(wú)法在物理上實(shí)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(duì)這一挑戰(zhàn)的思路。它不再?gòu)?qiáng)迫多個(gè)光學(xué)傳感器以完美的物理同步運(yùn)行(這需要納米級(jí)的精度)，而是讓每個(gè)傳感器獨(dú)立測(cè)量光線，然后使用計(jì)算算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期同步。

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

這種計(jì)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(shí)際應(yīng)用的剛性干涉儀設(shè)置需求。

MASI獨(dú)特的成像方法

MASI在兩個(gè)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(gè)編碼傳感器陣列。

由MASI成像的子彈殼。上圖：捕獲的復(fù)電場(chǎng)同時(shí)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(lái)的獨(dú)特標(biāo)記。(圖片來(lái)源：康涅狄格大學(xué))

每個(gè)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(cè)量值同時(shí)包含振幅和相位信息，可通過(guò)計(jì)算算法復(fù)原。

一旦恢復(fù)每個(gè)傳感器的復(fù)雜波場(chǎng)，系統(tǒng)就會(huì)對(duì)波場(chǎng)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(jì)算相位同步方法會(huì)迭代調(diào)整每個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的相對(duì)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(guò)在軟件中優(yōu)化組合波場(chǎng)，而非在物理上對(duì)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(gè)比任何單個(gè)傳感器都大的虛擬合成孔徑，無(wú)需透鏡即可實(shí)現(xiàn)亞微米分辨率和寬視場(chǎng)覆蓋。

MASI的優(yōu)勢(shì)與未來(lái)潛力

無(wú)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(jì)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(shí)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(jí)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(shuō)："MASI的潛在應(yīng)用跨越多個(gè)領(lǐng)域，從法醫(yī)科學(xué)和醫(yī)學(xué)診斷到工業(yè)檢測(cè)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(shí)會(huì)變得指數(shù)級(jí)復(fù)雜，我們的系統(tǒng)是線性擴(kuò)展的，這可能使我們能夠?yàn)樯形丛O(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(jì)算解決了物理光學(xué)施加的根本限制。通過(guò)將測(cè)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(gè)高分辨率、靈活且可擴(kuò)展的成像新領(lǐng)域。

審核編輯 黃宇