科學(xué)家研發(fā)出無透鏡成像技術(shù)，突破光學(xué)發(fā)展瓶頸

IT之家 12 月 24 日消息，康涅狄格大學(xué)研發(fā)的一項(xiàng)全新成像技術(shù)有望改寫光學(xué)成像的規(guī)則，無需依賴厚重的透鏡或繁瑣的物理校準(zhǔn)，就能實(shí)現(xiàn)超高分辨率成像。

據(jù)IT之家了解，該系統(tǒng)借助計(jì)算技術(shù)、傳感器陣列和精妙算法，突破了數(shù)十年來限制光學(xué)發(fā)展的瓶頸。

這項(xiàng)突破源自鄭國安（Guoan Zheng，音譯）教授的實(shí)驗(yàn)室，該研究團(tuán)隊(duì)的靈感來自一個看似不相關(guān)的對象 —— 事件視界望遠(yuǎn)鏡（Event Horizon Telescope）。這個全球射電望遠(yuǎn)鏡陣列曾拍攝到人類首張黑洞照片，其通過整合多臺望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，模擬出一臺口徑大得多的虛擬望遠(yuǎn)鏡。

但長期以來，將這一思路應(yīng)用于可見光領(lǐng)域似乎并不現(xiàn)實(shí)。可見光的波長遠(yuǎn)短于無線電波，傳感器之間哪怕出現(xiàn)極其微小的校準(zhǔn)偏差，都會嚴(yán)重破壞成像質(zhì)量。此前，要實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳感器的納米級精度同步，幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。

為此，鄭國安團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，徹底繞開了物理同步的技術(shù)路徑。這項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)物就是多尺度孔徑綜合成像儀（MASI），該設(shè)備不再要求傳感器保持完全同步運(yùn)行，而是讓每一個傳感器獨(dú)立測量光線，再通過計(jì)算算法對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行后期同步處理，最終重建出一幅清晰連貫的圖像。

鄭國安表示：“這項(xiàng)突破的核心，是攻克了一個長期存在的技術(shù)難題。事件視界望遠(yuǎn)鏡正是憑借綜合孔徑成像技術(shù)拍攝到黑洞，該技術(shù)通過將多個分離傳感器的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行相干合成，模擬出一個口徑更大的成像孔徑。”

MASI 用一組排布在衍射平面不同位置的編碼傳感器取代了傳統(tǒng)透鏡。每一個傳感器都會捕捉原始衍射圖案，這些圖案包含了光線與被測物體作用后的亮度和相位信息。

研究人員會對這些測量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，還原每個傳感器捕捉到的復(fù)雜波場；隨后對波場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字填充，并通過數(shù)值計(jì)算反向推演至物體平面；再利用一種計(jì)算相位同步方法，對數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代校準(zhǔn)，最大化合成圖像的相干性。

這種由軟件驅(qū)動的同步方式，摒棄了長期阻礙實(shí)用型光學(xué)綜合孔徑系統(tǒng)發(fā)展的剛性干涉測量裝置，最終構(gòu)建出一個口徑遠(yuǎn)超單個傳感器的虛擬孔徑。

這項(xiàng)技術(shù)的成果令人矚目。MASI 無需透鏡，僅在數(shù)厘米的工作距離內(nèi)，就能在大視場范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)亞微米級分辨率成像。而傳統(tǒng)光學(xué)設(shè)備往往需要在分辨率、視場范圍和物距之間做出取舍。

研究團(tuán)隊(duì)通過對子彈殼的成像實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的性能：設(shè)備清晰捕捉到了撞針印痕等微米級細(xì)節(jié)。這類痕跡可用于將彈藥與特定槍支進(jìn)行匹配，凸顯出該技術(shù)在法醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

鄭國安指出：“MASI 的潛在應(yīng)用覆蓋多個領(lǐng)域，包括法醫(yī)學(xué)、醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測和遙感技術(shù)等。但最令人振奮的是它的可擴(kuò)展性。”

傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜度會隨規(guī)模擴(kuò)大呈指數(shù)級增長，而 MASI 的復(fù)雜度僅呈線性增長，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(zhǔn)難題。

除成像領(lǐng)域外，這項(xiàng)研究還印證了工程學(xué)領(lǐng)域的一個大趨勢：借助計(jì)算技術(shù)突破曾被視為不可逾越的物理限制。

這項(xiàng)發(fā)表于《自然?通訊》的研究指出，通過將測量過程與同步過程解耦，MASI 開辟了一個全新的技術(shù)領(lǐng)域 —— 在這個領(lǐng)域中，定義光學(xué)系統(tǒng)成像能力的核心要素，不再是鏡片，而是軟件。