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完全擺脫透鏡束縛！創(chuàng)新可見光合成孔徑成像系統(tǒng)問世
2025年12月27日 16:13:50
來源：化工儀器網(wǎng) 點擊量：2610
美國康涅狄格大學(xué)鄭國安教授團隊研制出一種創(chuàng)新成像系統(tǒng)——“多尺度孔徑合成成像儀”(MASI)，成功在可見光波段實現(xiàn)合成孔徑成像。
近日，美國康涅狄格大學(xué)鄭國安教授團隊研制出一種創(chuàng)新成像系統(tǒng)——“多尺度孔徑合成成像儀”(MASI)，成功在可見光波段實現(xiàn)合成孔徑成像。該系統(tǒng)完全擺脫透鏡限制，攻克傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)在分辨率、視場與結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上的多重瓶頸，相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·通訊》，有望重新定義科學(xué)、醫(yī)學(xué)及工業(yè)領(lǐng)域的光學(xué)成像范式。
合成孔徑成像技術(shù)因助力事件視界望遠鏡拍攝人類首張黑洞照片而廣為人知，其核心原理是通過相干疊加多個分離探測器的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出遠大于單一設(shè)備的“虛擬孔徑”。在射電天文學(xué)領(lǐng)域，由于射電波長較長，傳感器間的精確同步可實現(xiàn)；但在可見光波段，相關(guān)尺度縮小數(shù)個數(shù)量級，傳統(tǒng)技術(shù)所需的納米級同步精度在物理上幾乎無法達成，這一難題長期制約著該技術(shù)的跨界應(yīng)用。
MASI系統(tǒng)的問世打破了這一僵局。與依賴透鏡聚焦的傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備不同，該系統(tǒng)采用一組排布在衍射平面不同位置的編碼傳感器，直接捕捉光線與被測物體作用后的原始衍射圖案——這些圖案包含了關(guān)鍵的亮度和相位信息。研究團隊通過創(chuàng)新的計算方法，完成了不同傳感器數(shù)據(jù)的同步與融合，徹底繞開了物理層面的納米級瞄準需求，成功構(gòu)建出超大“虛擬”合成孔徑。
這一技術(shù)實現(xiàn)了兩項關(guān)鍵突破：其一，完全擺脫透鏡束縛，可在數(shù)厘米的距離外直接采集物體衍射圖樣，相當(dāng)于在一桌之隔的距離就能清晰觀察到頭發(fā)絲上的細微紋理，無需近距離接觸被測物體；其二，在無透鏡前提下同時實現(xiàn)亞微米級分辨率和寬視場成像，解決了傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)需在分辨率、視場范圍和工作距離間妥協(xié)的固有矛盾。
鄭國安教授用通俗的比喻解釋了技術(shù)原理：“這就像多位攝影師同時拍攝同一場景，但他們記錄的不是普通照片，而是光波特性的原始測量數(shù)據(jù)，后續(xù)通過軟件將這些獨立數(shù)據(jù)‘拼接’成一幅超高分辨率圖像。”團隊通過子彈殼成像實驗驗證了系統(tǒng)性能，成功清晰捕捉到撞針印痕等微米級細節(jié)——這類痕跡可用于將彈藥與特定槍支匹配，直觀展現(xiàn)了其在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。
值得關(guān)注的是，MASI系統(tǒng)具備顯著的可擴展優(yōu)勢。傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度會隨規(guī)模擴大呈指數(shù)級增長，而MASI的復(fù)雜度僅線性增長，通過增加傳感器數(shù)量即可提升性能，且不會產(chǎn)生難以解決的校準難題。研究人員表示，該技術(shù)代表了光學(xué)成像領(lǐng)域的一次范式轉(zhuǎn)變，除法醫(yī)學(xué)外，還有望在醫(yī)學(xué)診斷、工業(yè)檢測、遙感等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為尚未設(shè)想的大型陣列成像應(yīng)用開辟可能。
從技術(shù)價值來看，MASI系統(tǒng)通過將測量過程與同步過程解耦，用軟件控制的傳感器陣列取代了笨重的透鏡，印證了“以計算突破物理限制”的工程學(xué)趨勢。未來，隨著技術(shù)的進一步優(yōu)化與落地，有望推動光學(xué)成像設(shè)備向更小巧、更靈活、更高精度的方向發(fā)展，重塑相關(guān)行業(yè)的技術(shù)格局。
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