レンズを一切使わずに物理的限界を超えた高精細画像を撮影できる光学センサーが開発される

イメージング技術は「電波望遠鏡アレイによる遠方銀河のマッピング」から「細胞内部の微細構造の解明」に至るまで、さまざまなブレイクスルーを支えてきました。しかし、依然として「扱いにくいレンズや厳格な調整制約なしに、可視波長域で高解像度・広視野画像を撮影することができない」という根本的な障壁が残っています。コネチカット大学で生物医学・生物工学イノベーションセンター(CBBI)の所長を務めるグオアン・ジェン氏ら研究チームが、科学・医学・産業全体にわたって光学イメージングを再定義する可能性のある画期的なソリューションを発表しました。

Multiscale aperture synthesis imager | Nature Communications
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65661-8

New image sensor breaks optical limits
https://phys.org/news/2025-12-image-sensor-optical-limits.html

イベントホライズンテレスコープがブラックホールの撮影を可能にした手法である合成開口撮像法は、複数の離れた位置にあるセンサーからの測定値をコヒーレントに組み合わせることで、はるかに大きな撮影開口をシミュレートするという撮影方法です。

電波天文学において、電波の波長がはるかに長いため、センサー間の正確な同期が可能となり、これが実現可能となります。しかし、可視光の波長では対象とするスケールが桁違いに小さくなるため、従来の同期要件を満たすことは物理的に不可能です。これはイメージング技術における「長年の技術的課題だった」とジェン氏は語っています。

そこで研究チームが開発したのが、「Multiscale Aperture Synthesis Imager」(MASI：マルチスケール開口合成イメージャー)と呼ばれる手法です。複数の光学センサーを物理的に完全に同期させるにはナノメートルレベルの精度が必要となるため、MASIでは各センサーが個別に光を測定し、計算アルゴリズムを用いてデータを同期させます。

以下はMASIを用いて撮影した弾丸の薬きょう表面の画像。

ジェン氏はMASIを、「複数の写真家が同じシーンを、普通の写真としてではなく光波特性の生の測定値として撮影し、その後ソフトウェアでこれらの独立した撮影結果をつなぎ合わせて1つの超高解像度画像を作成するのと同じようなもの」と説明しています。

MASIの登場により、これまで光合成開口システムの実用化における障害となってきた「厳格な干渉計セットアップ」が不要となるそうです。

MASIは従来の光学イメージングとは異なる手法を採用しています。ひとつは「レンズを用いて光をセンサーに集光するのではなく、回折面の異なる部分に配置されたコード化センサーアレイを展開する」という点です。コード化センサーアレイは物体と相互作用した後の「光波の広がり方」を捉えることで、計算アルゴリズムを用いて光の入り方を復元します。

回折前の状態に復元された光波にデジタルパディング処理を施し、数値的に波動場を物体面へ伝播させます。その後、計算による位相同期手法によって各センサーデータの相対的な位相オフセットを反復的に調整し、統合再構成における全体的なコヒーレンスとエネルギーを最大化します。

レンズなしの画像センサーであるMASIの見た目は以下の通り。

MASIはセンサーを物理的に配置するのではなく、ソフトウェアで結合された波動場を最適化することで、従来の光学系では障害となってきた「回折限界」やその他の制約を克服しているわけです。これにより単一のセンサーよりも大きな仮想合成開口が可能となり、レンズなしでサブミクロン解像度の高精細画像の撮影ができるようになります。

MASIを用いればレンズなしで数センチメートル離れた位置から回折パターンを捉えるだけで、サブミクロンレベルの解像度で画像を再構成することが可能です。これは人間の髪の毛の微細な隆起を、目から数センチの距離ではなく、机の向こう側から観察できるようなものです。

ジェン氏はMASIの応用および可能性について、「MASIの潜在的な応用分野は、法医学や医療診断から産業検査やリモートセンシングまで多岐にわたります」「しかし、最もエキサイティングなのは、その拡張性です。従来の光学系は規模が大きくなるにつれて指数関数的に複雑になるのに対し、私たちのシステムは直線的に拡張できるため、これまで想像もできなかったアプリケーション向けに大規模なアレイを実現できる可能性があります」と語りました。