研究人員構(gòu)建了一種無需透鏡的成像系統(tǒng)，通過融合多個傳感器的數(shù)據(jù)來超越傳統(tǒng)光學(xué)限制。

相機(jī)可能很快將無需鏡頭，這一變革或?qū)⑷缤瑥哪z片到數(shù)字的飛躍般深遠(yuǎn)。

康涅狄格大學(xué)開發(fā)的一項(xiàng)新型成像技術(shù)有望重塑光學(xué)成像的規(guī)則，在不依賴笨重鏡頭或精密物理對準(zhǔn)的情況下，實(shí)現(xiàn)超高分辨率的觀測。

該系統(tǒng)轉(zhuǎn)而依靠計(jì)算、傳感器陣列與精妙的數(shù)學(xué)算法，突破了困擾光學(xué)領(lǐng)域數(shù)十年的限制。

這一突破源于鄭國安教授的實(shí)驗(yàn)室。研究團(tuán)隊(duì)從一個意想不到的來源——事件視界望遠(yuǎn)鏡（曾拍攝到人類首張黑洞照片的全球射電望遠(yuǎn)鏡陣列）中汲取了靈感。該望遠(yuǎn)鏡通過整合多個望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，模擬出更大口徑的觀測效果。

但將這一思路應(yīng)用于可見光成像長期以來似乎不切實(shí)際。光波的波長遠(yuǎn)短于無線電波，意味著傳感器之間即使存在微米級的偏差也會破壞圖像質(zhì)量。長久以來，以納米級精度同步光學(xué)傳感器幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

鄭教授團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，完全繞過了物理同步的需求。

無透鏡成像技術(shù)

這項(xiàng)成果名為多尺度孔徑合成成像儀（MASI）。它不要求傳感器絕對同步運(yùn)行，而是讓每個傳感器獨(dú)立測量光線，再通過計(jì)算算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行后期同步與整合，重建出單一、連貫的圖像。

“這一突破的核心在于解決了一個長期存在的技術(shù)難題，”鄭教授表示，“合成孔徑成像——即事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝黑洞的方法——通過將多個分離傳感器的測量結(jié)果相干結(jié)合，模擬出更大的成像孔徑?！?/p>

MASI用一組位于衍射平面不同位置的編碼傳感器陣列取代了透鏡。每個傳感器捕獲原始衍射圖案，其中包含與物體相互作用的光的亮度和相位信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可重建每個傳感器的復(fù)雜波場。隨后，波場通過數(shù)字填充和數(shù)值傳播回溯至物體平面，再通過計(jì)算相位同步方法迭代對齊數(shù)據(jù)，最大化合成圖像的相干性。

這種軟件驅(qū)動的同步技術(shù)，擺脫了多年來阻礙光學(xué)合成孔徑系統(tǒng)實(shí)用化的剛性干涉儀結(jié)構(gòu)，最終形成遠(yuǎn)超單個傳感器尺寸的虛擬孔徑。

軟件替代玻璃

這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢顯著。MASI能在數(shù)厘米的工作距離上，無需透鏡即實(shí)現(xiàn)大視場下的亞微米級分辨率。傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)通常需要在分辨率、視場和物距之間權(quán)衡取舍。

研究團(tuán)隊(duì)通過對子彈彈殼成像展示了該系統(tǒng)的能力：捕獲了包括擊針凹痕在內(nèi)的微米級細(xì)節(jié)。這類痕跡可用于將彈藥與特定槍支關(guān)聯(lián)，凸顯了其在法醫(yī)鑒定領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

“MASI的潛在應(yīng)用涵蓋法醫(yī)學(xué)、醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測及遙感等多個領(lǐng)域，”鄭教授說，“但最令人興奮的是其可擴(kuò)展性?！迸c傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)規(guī)模增大后復(fù)雜度呈指數(shù)級增長不同，MASI的擴(kuò)展呈線性增長——增加更多傳感器即可提升性能，無需應(yīng)對艱巨的對準(zhǔn)挑戰(zhàn)。

除了成像技術(shù)，這項(xiàng)研究更標(biāo)志著工程領(lǐng)域的一次廣泛變革：用計(jì)算突破曾被視為根本性的物理限制。據(jù)《自然·通訊》發(fā)表的研究成果，MASI通過將測量與同步解耦，開創(chuàng)了一個以軟件（而非玻璃）定義光學(xué)系統(tǒng)觀測能力的新領(lǐng)域。

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