可視化工具極大地改變了科學家研究世界的方式。通過射電望遠鏡網絡繪製遙遠的星系圖。儘管已經取得了數十年的進展，但仍然存在一個主要障礙。在光的波長下捕獲高度詳細且覆蓋廣泛區域的圖像非常困難。無需依賴大鏡頭或特別精確的物理定位。
最近發表在 自然交流 這項工作由生物醫學工程教授、康涅狄格大學生物醫學創新和生物工程中心（CBBI）主任鄭國安及其康涅狄格大學工程學院的研究團隊領導，提供了一條可能的前進道路。他們的發現提供了一種新的成像方法，可以改變光學系統在科學、醫學和工業中的設計和使用方式。
為什麼合成光圈攝影缺乏光學？
“這一突破的核心是一個長期存在的技術問題，”鄭說。合成光圈攝影。事件視界望遠鏡如何對黑洞成像它的工作原理是結合多個獨立傳感器的測量結果來模擬更大的孔徑。
這種策略在射電天文學中非常成功，因為無線電波具有長波長。這使得精確同步由廣泛分佈的傳感器收集的信號成為可能。然而，可見光的作用範圍要小得多。在該波長下，使用傳統方法很難實現保持多個傳感器完美同步所需的物理精度。如果沒有，那是不可能的。
MASI 和軟件第一同步指南
多尺度孔徑合成（MASI）成像儀採用了一種根本不同的方法來應對這一挑戰。 MASI 不需要光學傳感器處於固定的物理對準狀態，而是允許每個傳感器獨立收集光線。測量完成後，使用先進的計算算法來同步數據。
鄭將這個想法比作一群攝影師拍攝同一場景。每個攝影師都記錄有關光波行為的原始數據，而不是拍攝傳統照片。然後，該軟件將這些單獨的測量結果組合成一個高分辨率的圖像。
通過使用 MASI 計算管理相位同步，可以避免嚴格的干涉測量設置。這在很長一段時間內限制了光學合成孔徑系統的實際應用。
MASI 無鏡頭攝影的工作原理
MASI 在兩個主要方面與傳統光學成像不同。第一步是去掉所有鏡片。該系統不是通過玻璃聚焦光線，而是使用放置在不同位置的一系列加密傳感器。衍射平面內 每個傳感器都會記錄衍射圖案。它描述了光波與物體相互作用後如何傳播。這些模式包含幅度和相位信息，稍後可以使用計算技術來恢復。
重建每個傳感器的複雜波場後，系統以數字方式放大信息，並以數學方式將波場傳播回物質平面。計算出的相位同步過程調整傳感器之間的相對相位差。這種迭代優化增加了最終重建圖像的相干性和能量聚焦。
這種基於軟件的對齊是一項關鍵創新。通過用計算優化取代物理精度，MASI 克服了衍射極限和其他限制。控制傳統光學成像系統
具有亞微米分辨率的虛擬孔徑
結果是虛擬合成孔徑比單個傳感器大得多。這允許亞微米分辨率成像，同時仍然覆蓋廣闊的視野。不使用鏡頭
用於顯微鏡、相機和望遠鏡的傳統鏡頭。它迫使工程師做出權衡。實現更高分辨率通常意味著將鏡頭放置得更靠近物體。有時只有幾毫米遠。較短的操作距離可能會使成像變得困難、不切實際，甚至在某些應用中具有侵入性。
MASI 通過捕獲以厘米為單位測量的距離的衍射圖案，消除了此類限制。該系統仍然能夠創建具有亞微米細節的新圖像。鄭將其比作從桌子對面檢查一根細小的人類頭髮，而不是把它放在距離眼睛幾英寸的地方。
跨科學和工業的可擴展成像
“MASI的可能應用涵蓋許多領域。從法醫學和醫學診斷到工業檢測和遙感，”鄭說。 “但最令人興奮的是可擴展性。這與傳統的光學系統不同，傳統的光學系統隨著增長而變得指數級複雜。我們的系統可線性擴展。這可以實現我們以前從未想像過的大量應用。”
多尺度孔徑合成成像儀為光學成像指明了新方向。通過將測量與同步分離並用軟件驅動的傳感器陣列取代重型光學元件，MASI 展示了計算如何克服物理光學所施加的限制。其結果是一個靈活、可擴展和高分辨率的成像框架，這在以前是遙不可及的。
