高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙, 小到光学显微镜探察细微的纳米世界, 光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色. 看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标. 传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统, 即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的. 能否突破这个极限？能否不断提高光学系统的成像分辨率？围绕着这个问题, 本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术, 及其在空间探测和生物领域中的应用.     

微波时间反演系统的空间超分辨率机理

时间反演系统中存在亚波长结构是系统展示空间超分辨特性的必要条件. 在近场, 信号是通过占主导地位的库仑场来传输的, 而库仑场的分辨率极限只与散射体的线度和空间分布有关, 因此可以突破微波衍射极限实现空间超分辨.     

相干场成像技术分辨率研究

根据光学传递函数的相关理论, 推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数, 给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式, 为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据. 在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 分辨率 光学传递函数     

实现同步轨道(GEO)高分辨力对地观测的技术途径(上)

在地球静止同步轨道(GEO)上实现高分辨力对地观测,具有一系列独特优点,远为其它轨道所不及。然而,对于36000 km的远程高分辨力可见波段观测,要求望远镜必须具备20 m以上口径的主镜。传统的空间相机,如果要有如此大的口径,其总质量将超过1000 t,无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜,可以大幅度降低主镜质量面密度,从而降低整个相机系统的总质量,可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配,则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜,将高分辨力的取得,由增大接收口径转变为加大发射间隔,用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构,取代常见的目标图像直接探测,突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性,从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料(左手型材料)可制成完美透镜,而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一,基于表面等离子激元(SPP)的光子器件则是其另一种选择。     

实现同步轨道(GEO)高分辨力对地观测的技术途径(下)

在地球静止同步轨道(GEO)上实现高分辨力对地观测,具有一系列独特优点,远为其它轨道所不及。然而,对于36 000 km的远程高分辨力可见波段观测,要求望远镜必须具备20 m以上口径的主镜。传统的空间相机,如果要有如此大的口径,其总质量将超过1 000 t,无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜,可以大幅度降低主镜质量面密度,从而降低整个相机系统的总质量,可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配,则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜,将高分辨力的取得,由增大接收口径转变为加大发射间隔,用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构,取代常见的目标图像直接探测,突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性,从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料(左手型材料)可制成完美透镜,而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一,基于表面等离子激元(SPP)的光子器件则是其另一种选择。     

实现同步轨道（GEO）高分辨力对地观测的技术途径（上）

在地球静止同步轨道（GEO）上实现高分辨力对地观测，具有一系列独特优点，远为其它轨道所不及。然而，对于36000km的远程高分辨力可见波段观测，要求望远镜必须具备20m以上口径的主镜。传统的空间相机，如果要有如此大的口径，其总质量将超过1000t，无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜，可以大幅度降低主镜质量面密度，从而降低整个相机系统的总质量，可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配，则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜，将高分辨力的取得，由增大接收口径转变为加大发射间隔，用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构，取代常见的目标图像直接探测，突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性，从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料（左手型材料）可制成完美透镜，而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一，基于表面等离子激元（SPP）的光子器件则是其另一种选择。     

高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决...     

表面等离子体平面金属透镜及其应用

由于衍射极限的存在,传统光学透镜成像分辨率理论上只能达到入射光波长的一半。通过恢复和增强携带物体细部特征信息的高频倏逝波,基于表面等离子体的平面金属透镜有望突破这种光学衍射极限,实现超分辨成像。本文对平面薄膜式与纳米结构式两类平面金属透镜进行了综述,详细介绍了若干典型平面金属透镜的结构设计、工作机理及其聚焦性能,并对其特点与存在的问题进行了分析与讨论。由于光波在金属中传播时存在一定损耗,如何更高效地增强高频倏逝波信号并转换成传播波,使其参与成像,以更好地实现远场超分辨成像,以及如何进一步增大近场超高分辨率聚焦光斑焦深以及减小远场聚焦光斑尺寸,是表面等离子体平面金属透镜进一步研究的重点。     

大口径折反式中波红外衍射望远镜系统设计

为实现空间红外望远镜的高分辨率探测,基于Schupmann消色差理论,开展了大口径折反式中波红外衍射望远镜系统的设计及消热差模型研究。设计了口径1 m、F数为2、全视场0.12°、波段3.8 μm～4.2 μm的折反式中波红外衍射望远镜系统,其主镜及校正镜均为平面衍射透镜,中继系统采用卡塞格林折反式结构,再聚焦及三次成像系统均为折射式结构,对系统进行了公差、鬼像及冷反射分析。设计结果表明:在?20 ℃～60 ℃温度下,系统的MTF在16.7 lp/mm范围内均大于0.7,接近衍射极限,且具有100%冷屏效率,公差满足现有加工装配水平;鬼像能量为0.1%,对目标信号的影响较小;冷反射等效温差（NITD）随温度的变化量小于探测器噪声等效温差（NETD）。该系统可为更大口径红外衍射望远镜系统的设计提供参考。     

超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像技术及其探测极限分析

理论上提出一种突破衍射极限限制的相干反斯托克斯拉曼散射显微成像方法, 并对其探测极限进行分析.通过引入环形附加探测光与艾里斑周边的声子作用, 实现点扩展函数的改造, 提高相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的横向空间分辨率. 随着分辨率的提高, 信号强度也随之降低, 尤其当应用于生物学、医学研究时, 样品分子数密度通常很低, 这将导致信号探测更加困难. 因此分析系统的探测极限, 确定超分辨体积元内的最小可探测分子数是展开超衍射极限相干反斯 托克斯拉曼散射显微成像实验研究的重要前提. 当泵浦光、斯托克斯光、探测光光强均达到极大值, 分辨率约40 nm三维空间内, 超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像系统的散粒噪声信噪比由曝 光时间与样品分子数密度决定. 曝光时间若取20 ms, 探测极限约为10³, 样品分子数目只有大于探测极限, 才能保证信号可以从噪声背景中提取出来. 关键词： 突破衍射极限 相干反斯托克斯拉曼散射 非线性光学 探测极限     

The role of propagating and evanescent waves in scanning near-field optical microscopy

Theoretical study on the image formation in scanning near-field optical microscopy is carried out in the framework of the direct moment method. Information brought, respectively, by the propagating and evanescent components in the optical near field that is collected by a scanning fiber tip with a sub-wavelength aperture is numerically and systematically analyzed in the light of the resolution achieved by the microscope. The analyses reveal that resolutions beyond the diffraction limit can be achieved even in the absence of the evanescent waves. That is, it is incorrect or at least incomplete to believe that a microscope that collects only the propagating waves is limited by the diffraction. Our studies show that a scanning near-field optical microscope can achieve resolutions beyond the diffraction limit by collecting only the propagating waves.     

Observation of subcellular structures of neurons by an illumination mode near-field optical microscope under an optical feedback control

We propose an illumination mode near-field optical microscope operated under an optical feedback for imaging biological specimens in their natural environment. For feedback control, rapidly varying evanescent signal has been generated over the sample surface. It has been found that evanescent signal can be profitably used as a control signal by utilizing its sample feature dependent discrimination sensitivity. Neurons have been successfully observed both in air and in liquid with a resolution well beyond the diffraction limit.     

激光超衍射加工机理与研究进展

随着纳米科技和微纳电子器件的发展,制造业对微纳加工技术的要求越来越高.激光加工技术是一种绿色先进制造技术,具有巨大的发展潜力,己广泛应用于不同的制造领域.为实现低成本、高效率、大面积尤其是高精度的激光微纳加工制造,研究和发展激光超衍射加工技术具有十分重要的科学意义和应用价值.本文首先阐述了基于非线性效应的远场激光直写超衍射加工技术的原理与国内外发展状况,包括激光烧蚀加工技术、激光诱导改性加工技术和多光子光聚合加工技术等;然后介绍了几种基于倏逝波的近场激光超衍射加工技术,包括扫描近场光刻技术、表面等离子激元光刻技术等新型超衍射激光近场光刻技术的机理与研究进展;最后对激光超衍射加工中存在的问题及未来发展方向进行了讨论.     

Superresolution in compensated telescopes

We present a procedure for attaining resolution beyond the diffraction limit in ground-based telescopes. This procedure is based on the use of rotationally symmetric pupil plane filters that can be easily implemented in dynamic optical devices such as a deformable mirror of an adaptive-optics system. We show that a successful application of the technique requires partial compensation for atmospheric distortion by adaptive optics. Consequently, we derive the required level of compensation as a function of the atmospheric conditions. Finally, our results are checked using simulated data.     

现代航天光学成像遥感器的应用与发展

概述了当前航天光学成像遥感器在对地、对天观测的多个领域的应用现状,给出了国外著名高分辨率商业卫星的性能指标,归纳了在轨和即将发射的太空望远镜的工作参数,展望了以更高的地面分辨率、更宽的地面覆盖和更高成像质量为目标的高性能光学遥感器的发展方向。依托大型光学成像平台的模块化技术和天地一体化设计为代表的综合性光学遥感器,阐述了实现自动识别和在轨参数自动调整的智能型光学成像遥感器的可行性、环境条件和技术要求。总结了目前在航天光学成像遥感器设计中大口径、主动光学波前探测和在轨智能处理等方面的关键技术和实现难题,提出了可实现的研究思路和未来的发展前景。     

Limits for superfocusing with finite evanescent wave amplification

Perfect lensing using negative refractive index materials and radiationless electromagnetic interference both provides extreme subwavelength focusing by "amplifying" evanescent wave components that are usually lost. This Letter provides a relation between the achievable focus spot size, the amplification available, and the focal length. This may be considered as a revised version of Abbe's diffraction limit for focusing systems that have evanescent wave amplification. It is useful in comparing the amplification achieved in various subwavelength focusing implementations as well as determining when it is better to use existing near-field techniques, such as simple diffraction from an aperture or slit, than to attempt complicated superfocusing.     

Resolution of objects within subwavelength range by using the near field of a dipole

We analyze the far-field resolution of apertures that are illuminated by a point dipole located at subwavelength distances. It is well known that radiation emitted by a localized source can be considered a combination of traveling and evanescent waves, when represented by the angular spectrum method. The evanescent wave part of the source can be converted to propagating waves by diffraction at the aperture; thereby it contributes to the far-field detection. Therefore one can expect an increase in the resolution of objects. We present explicit calculations showing that the resolution at the far zone is improved by decreasing the source-aperture distance. We also utilize the resolution enhancement by the near field of a dipole to resolve two closely located apertures. The results show that without the near field (evanescent field) the apertures are not resolved, whereas with the near field of the dipole the far zone intensity distribution shows improved resolution. This method eliminates the requirements of near-field techniques such as controlling and scanning closely located tip detectors.     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.