北京
當(dāng)我們觀察手機(jī)攝像頭時(shí)，你能清楚的看到玻璃保護(hù)層下的那組小鏡頭，沒了它手機(jī)就拍不了照。但是，如果把鏡頭拿掉，就剩一塊光禿禿的芯片，它還能成像嗎？
近日，美國康涅狄格大學(xué)的鄭國安教授團(tuán)隊(duì)造出了一臺完全沒有鏡頭的相機(jī)，只用九塊小芯片拼在一起，就能實(shí)現(xiàn)在厘米級工作距離下分辨亞微米的特征，而且成像視場比芯片本身大十幾倍。
這臺成像系統(tǒng)叫 MASI，全稱是多尺度孔徑合成成像儀。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8）
鄭國安告訴 DeepTech：“從分辨率角度講，我們實(shí)現(xiàn)了使用多個(gè)傳感器來突破單個(gè)傳感器的物理極限。我們用九個(gè)傳感器合成之后，在 2.2 厘米的工作距離上分辨出了 780 納米線寬。這在常見光學(xué)成像方案中非常難做到，要分辨這么小的細(xì)節(jié)，通常得把物體放得非常靠近光學(xué)系統(tǒng)或顯微鏡。”
有了這項(xiàng)技術(shù)，在工業(yè)檢測上能在遠(yuǎn)距離分辨微米級瑕疵；若進(jìn)一步小型化，有望用于手術(shù)器械，穿過狹小通道看到體腔深處。
他們團(tuán)隊(duì)用 MASI 拍了一個(gè)人的指紋，單個(gè)傳感器的尺寸只有 4.6 乘以 3.4 毫米，只能拍到指紋的一小部分。但是，他們通過計(jì)算場擴(kuò)展的方法，把芯片捕捉到的光波信息往四周數(shù)字外推，再反向傳播回物體平面，由原本單個(gè)芯片采集到的一小部分信息，最終擴(kuò)展出了一張 16.6 乘 15.4 毫米的完整指紋圖，成像面積擴(kuò)大了 16 倍，指紋上的脊線和汗孔都看得一清二楚。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8）
他們團(tuán)隊(duì)還用 MASI 拍了一塊小鼠腦組織切片，九塊芯片各自只拍到一小塊區(qū)域，通過計(jì)算場擴(kuò)展的方法拼起來之后整個(gè)腦切片的神經(jīng)纖維走向一覽無余，連從腦室向外放射的髓鞘軸突束都清晰可見。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8）
在反射模式下，他們用這套系統(tǒng)拍了一張標(biāo)準(zhǔn)分辨率測試卡，工作距離拉到 2.2 厘米，單塊芯片只能看清 2.19 微米的線條，而九塊芯片同步后能看清 780 納米的線條，要知道這已經(jīng)達(dá)到了亞微米尺度的特征分辨能力。傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡要達(dá)到這個(gè)分辨率，通常需要把鏡頭懟到樣品一毫米以內(nèi)，MASI 卻在兩厘米開外就做到了。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8）
MASI 還能用來做 3D 成像。他們拍了樂高積木上的凸起字母、硬幣上的浮雕花紋、電池表面的細(xì)微紋理，全都能變成 3D 圖像。值得一提的是，他們把一個(gè)子彈殼放在光路里，MASI 拍下光波后，計(jì)算機(jī)在數(shù)字空間里把波面一層一層往后推，每一層都能算出哪部分最清晰，最后合出一張 3D 高度圖。子彈殼上撞針留下的凹坑和精細(xì)的表面紋路，照樣被完整還原出來。
（來源：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8）
鄭國安告訴 DeepTech：“子彈發(fā)射時(shí)撞針會在彈殼上留下一個(gè)凹槽，根據(jù)這個(gè)凹槽可以追蹤子彈和槍支的關(guān)系。我們精確重構(gòu)出了這個(gè)凹槽，這對法醫(yī)學(xué)應(yīng)用很有價(jià)值。也可以用在工業(yè)檢測上，比如測量發(fā)動機(jī)外表面的精確三維結(jié)構(gòu)。”
MASI 的原理說起來有點(diǎn)反常識：光從物體表面彈出來之后在空中自由傳播，本來應(yīng)該越散越開、越變越模糊。但 MASI 恰恰利用了這種擴(kuò)散，散開的光波里藏著物體的完整信息，只要有足夠的算力把它還原回來，模糊反而成了優(yōu)勢。九塊小芯片各自捕捉一小部分散開的光，經(jīng)過計(jì)算相位同步后，將各個(gè)芯片恢復(fù)的復(fù)波場在物平面相干疊加，得到高分辨率重建。
研究中，他們用了一個(gè)叫計(jì)算相位同步的方法來拼圖，每塊芯片在記錄光的時(shí)候會有一個(gè)隨機(jī)的相位偏移，就像幾個(gè)人用不同的手表對時(shí)間，每只表快慢都不一樣。
MASI 先指定一塊芯片當(dāng)基準(zhǔn)，然后讓計(jì)算機(jī)自動算出其他八塊芯片應(yīng)該調(diào)整多少相位差，才能讓所有光波在重建時(shí)步調(diào)一致地疊加起來。這個(gè)過程不需要任何重疊的拍攝區(qū)域，也不需要參考光，純粹靠算法把九路信號對齊。
鄭國安團(tuán)隊(duì)的這項(xiàng)技術(shù)，其實(shí)是在模仿射電望遠(yuǎn)鏡的做法。2019 年拍下第一張黑洞照片的事件視界望遠(yuǎn)鏡，就是用分布在全球各地的射電望遠(yuǎn)鏡同步接收信號，再通過算法合成一張大圖。
鄭國安告訴 DeepTech：“黑洞那張照片其實(shí)不是用望遠(yuǎn)鏡拍出來的，而是把分布在地球各地的好幾臺射電望遠(yuǎn)鏡連在一起，相當(dāng)于造了一臺地球那么大的虛擬望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)技術(shù)叫合成孔徑技術(shù)，簡單說就是讓很多個(gè)小鏡頭合作起來，做到只有大鏡頭才能做到的事。”
而 MASI 把同樣的思路搬到了光波段，只不過射電望遠(yuǎn)鏡用的是原子鐘來同步時(shí)間，MASI 用的是計(jì)算機(jī)來同步相位。
MASI 的妙處在于，它把最難的硬件問題變成了軟件問題，不需要精密的光學(xué)元件，不需要復(fù)雜的干涉儀，不需要嚴(yán)格對齊的鏡片，只需要一塊普通圖像傳感器加上一層預(yù)先刻好的編碼表面，再用計(jì)算機(jī)把九塊芯片的數(shù)據(jù)拼起來，就能突破單塊芯片的物理極限。
普通的圖像傳感器只能探測到光的強(qiáng)度，就是每個(gè)像素上打了多少光子，探測不到光的相位，也探測不到光是從哪個(gè)方向來的。
“我們在圖像傳感器表面添加了一層特殊設(shè)計(jì)的編碼圖案，有了這層圖案，就可以從單純的亮度信息里把相位和方向信息反推出來。這就是為什么我們能同時(shí)重構(gòu)強(qiáng)度和相位，也是為什么能用來做合成孔徑成像，因?yàn)楹铣煽讖匠上癖仨氂玫较辔恍畔ⅰ！编崌舱f。
如前所述，由于分布式傳感器陣列對安裝對準(zhǔn)的要求更低，這種技術(shù)能用在很多地方，未來可探索在復(fù)雜形狀表面部署。
他們還在論文里提到一個(gè)有意思的應(yīng)用，因?yàn)閭鞲衅鞒叽绾苄。罱K成像區(qū)域遠(yuǎn)大于傳感器本身，所以可以把保密信息藏在傳感器的視野之外，從原始數(shù)據(jù)里根本看不出這些信息存在，只有知道正確計(jì)算參數(shù)的人才能把它還原出來，這相當(dāng)于一種物理層面的加密。
圖 | 鄭國安教授（來源：受訪者）
談及商業(yè)化事宜，鄭國安表示：“我們的技術(shù)已經(jīng)授權(quán)給了一家公司，他們負(fù)責(zé)創(chuàng)業(yè)和商業(yè)化。我主要精力還是放在從零到一的研究上，我和團(tuán)隊(duì)的后續(xù)計(jì)劃主要放在遠(yuǎn)距離合成孔徑上。這個(gè)項(xiàng)目的思路最初來自事件視界望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在做出了這樣一套無透鏡成像系統(tǒng)，未來也是想把它用回到天文觀測上，合成一個(gè)大的孔徑去看那些遙遠(yuǎn)的星體。”
參考資料：
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8
排版：胡莉花
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