CN110794589A - 基于零空间介质的超分辨成像方法、成像器件及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于零空间介质的超分辨成像方法、成像器件及装置。物面和像面都是平面，物面和像面之间采用多个各向异性的光学零空间介质连接，每个光学零空间介质有且仅具有一个主轴方向，各个光学零空间介质之间主轴方向相同或者不同，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值较大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值较小；物面上的电磁场分布被光学零空间介质沿着主轴方向经过一次或者多次投影到像面，成像放大倍率在物面任意位置都相同，等于像面和物面的面积比。本发明可以获得超分辨成像，可以直接成像无需任何扫描。本发明的超分辨结构也可以逆向应用于纳米压印、缩小成像等领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于零空间介质的超分辨成像方法、成像器件及装置。
背景技术
由于衍射极限，普通的成像方法的分辨率是衍射受限的，进而导致了人类探索微观世界的极限。超分辨成像技术是人类探索微观世界的有效手段，其在纳米光子学、生物医学、物理与材料科学等诸多领域有着重要的应用价值。目前常见的比较成熟的超分辨成像技术主要是要借助于扫描的方式来实现的，其中包括近场光学扫描镜，扫描电镜，原子力显微镜等等。然而这些方法由于都需要探针扫描，因此存在很多局限性，比如无法实时成像，只能对某些特殊表面成像（不能对探针有损坏的表面成像）。在近十几年，随着新型人造材料Metamaterials和变换光学理论的发展，越来越多的新型超分辨方法不断涌现，其中比较典型的两种新型超分辨成像透镜就是超透镜（Super-lens）和双曲透镜（Hyper-lens）。这两种新型透镜都可以直接对整个场分布进行超分辨成像，因此无需任何扫描，比传统的超分辨成像方法具有更大优势。然而，超透镜由于需要使用负折射率材料，并且成像的性能会受到损耗的影响，因此应用的前景不是很理想。而双曲透镜不存在这些问题，目前已经在不同频段被实验验证。目前双曲透镜最大的问题就是大多数的物面和像面都是曲面，虽然有一些利用变换光学或者其他方法将双曲透镜的物面和像面转换为平面的方案，然而这些方法都会导致透镜物面不同位置成像的放大倍率不同的缺点。目前仍然没有可以同时实现无需扫描即可直接成像、物面和像面都是平面、等放大倍率成像的超分辨成像器件。
发明内容
为了解决现有超分辨成像器件无法同时实现：无需扫描直接成像、物面和像面都是平面、任意位置等放大倍率成像等问题，本发明提供了基于零空间介质的超分辨成像方法、成像器件及装置。
一种基于零空间介质的超分辨成像方法，物面和像面都是平面，物面和像面之间采用多个各向异性的光学零空间介质连接，每个光学零空间介质有且仅具有一个主轴方向，各个光学零空间介质之间主轴方向相同或者不同，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值较大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值较小；物面上的电磁场分布被光学零空间介质沿着主轴方向经过一次或者多次投影到像面，成像放大倍率在物面任意位置都相同，等于像面和物面的面积比。
所述的像面面积大于或者等于或者小于物面面积。
所述的超分辨成像方法，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值为，大于10至趋向于无穷大；垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值为，小于0.1至趋向于0，主轴方向的介电常数和磁导率数值越大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的数值越趋向于0，器件的超分辨效果越好。
一种采用所述的方法设计的超分辨成像器件，整个器件为矩形，由两个各向异性的光学零空间介质的直角三角形相对构成，第一各向异性介质的主轴方向沿水平x方向，第二各向异性介质的主轴方向沿垂直y方向，成像的物面S1为矩形左侧的短边，成像的像面S2为矩形下侧的长边；器件左侧短边物面S1上的电磁场分布首先被主轴为x方向的零空间介质投影到矩形的对角线，然后再被主轴沿着y方向的零空间介质投影到像面S2上，从物面S1到像面上S2的点由零空间介质建立了一一对应关系，物面S1上的电磁场分布与像面S2上的电磁场分布存在一一对应关系；物面S1上的点被线性地映射到像面S2上，物面S1上任意位置处等间距的点在被映射到像面S2上之后得到的放大间距相同，即该成像器件具有等放大倍率，即像面S2和物面S1的面积之比S2/S1。
一种采用所述的方法设计的超分辨成像器件，依次包括物面S1、较小的柱面S3、较大的柱面S4、像面S2，位于物面S1上的电磁场分布首先被主轴沿着x方向的第一零空间介质投影到较小的柱面S3上，然后再被主轴沿着径向方向的零空间介质投影到较大的柱面S4上，然后再被主轴沿着x方向的第二零空间介质投影到像面S2上，器件的放大率也是等于像平面面积和物平面面积之比S2/S1。
一种采用根据所述的超分辨成像器件的成像装置。
可以正向或者逆向应用。逆向应用时，所述的像面（S2）用作物面，所述的物面（S1）用作像面，用于缩小成像、纳米压印领域。
本发明的有益效果：
（1）本发明可以获得超分辨成像。成像分辨率是由零空间介质的实际参数决定，当主轴方向的介电常数和磁导率越大（完美情况是无限大），而垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率越趋向于0，那么成像分辨率越高。
（2）本发明可以直接成像无需任何扫描。物面上的电磁场分布可以直接成像到像面上。
（3）本发明成像器件的物面和像面都是平面，并且成像放大倍率在物面任意位置都相同，始终等于像面和物面的面积比。
附图说明
图1为本发明的实施例1结构示意图；
图2为本发明实施例1的物面场分布图；
图3为本发明实施例1的像面场分布图；
图4为本发明的实施例2结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
基于零空间介质的超分辨成像方法，物面和像面都是平面，物面和像面之间采用多个各向异性的光学零空间介质连接，每个光学零空间介质有且仅具有一个主轴方向，各个光学零空间介质之间主轴方向相同或者不同，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值较大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值较小；物面上的电磁场分布被光学零空间介质沿着主轴方向经过一次或者多次投影到像面，成像放大倍率在物面任意位置都相同，等于像面和物面的面积比。
所述的像面面积大于或者等于或者小于物面面积。
沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值为，大于10至趋向于无穷大。
垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值为，小于0.1至趋向于0，主轴方向的介电常数和磁导率数值越大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的数值越趋向于0，器件的超分辨效果越好。比如当主轴方向的介电常数和磁导率为1000，而垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的数值为0.001时，器件可以分辨间隔为0.2波长的两个点。
实施例1
本发明所采用的超分辨成像器件，由各向异性的零空间介质组成。这里使用的各向异性的零空间介质存在一个主轴方向，沿着主轴方向上介质的介电常数和磁导率非常大，而垂直于主轴方向上介质的介电常数和磁导率趋向于零。器件的物面和像面都是平面，其之间通过这种具有主轴方向的高度各向异性的零空间介质相连接。物面的面积小于像面的面积，物面上的电磁场分布被这种高度各向异性的零空间介质沿着其主轴方向投影到像面。
作为一个简单的例子，一个超分辨成像器件如图1所示（二维截面图），是一个两个对接的直角三角形组成的矩形，这两个直角三角形由主轴方向沿着x的零空间介质1-1和主轴方向沿着y的零空间介质1-2组成。零空间介质沿着主轴方向上的介电常数和磁导率非常大，而垂直于主轴方向上介质的介电常数和磁导率趋向于零。
这里超分辨成像器件的物面为S1和像面为S2，物面的面积小于像面的面积。位于物面上的电磁场分布首先被主轴沿着x方向的零空间介质1-1投影到矩形的对角线上，然后再被主轴沿着y方向的零空间介质投影到像面S2上。该成像器件的放大率等于物面和像面的面积比。由于这种高度各向异性介质可以将倏逝波转换为转播波，因此可以实现超分辨成像。
图2和3对应了图1的超分辨成像器件的数值模拟效果。这里选取器件像面的面积S1和物面的面积S2之比S2/S1=5，也就是器件的放大率为5。图2对应了位于物面上的4个物点左边两个间距为0.2倍波长，右边两个物点间距也是0.2倍波长。图3对应了在像面上的4个像点的分布情况。可以看出，位于亚波长间隔（0.2倍波长）的物点在像面上仍然可以分辨，进而验证了该器件的超分辨成像功能。而在物面不同位置处的等间隔物点，在像面上的像点间隔被放大后仍然保持等间隔，进而验证了该器件等放大倍率固定的特点。
实施例2
本发明提出的超分辨成像器件，只要物面和像面之间通过适当主轴方向的零空间介质建立投影关系，即可实现超分辨成像的功能。这里给出另外一个设计的例子。
如图4中的超分辨成像器件，依次包括物（平）面S1、较小的柱面S3、较大的柱面S4、像（平）面S2。位于物面S1上的电磁场分布首先被主轴方向沿着x方向的第一零空间介质2-1投影到较小的柱面S3上，然后再被主轴方向沿着径向方向的零空间介质2-2投影到另外一个尺寸较大的柱面S4上，然后再被主轴沿着x方向的第二零空间介质2-3投影到像面S2上。器件的放大率也是等于像平面面积和物平面面积之比S2/S1。
普通的显微镜无法超分辨成像时，可以在样品前先加入实施例1、2或者其它根据本发明成像方法设计的超分辨成像器件，将亚波长尺寸的物体细节信息不丢失的前提下放大，进而再被显微镜成像。本发明同样可以逆向应用，将S2作为物面，将S1作为像面，进而实现将一个尺寸较大的物体压缩成像。
Claims (7)
1.一种基于零空间介质的超分辨成像方法，其特征在于：物面和像面都是平面，物面和像面之间采用多个各向异性的光学零空间介质连接，每个光学零空间介质有且仅具有一个主轴方向，各个光学零空间介质之间主轴方向相同或者不同，沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值较大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值较小；物面上的电磁场分布被光学零空间介质沿着主轴方向经过一次或者多次投影到像面，成像放大倍率在物面任意位置都相同，等于像面和物面的面积比。
2.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于：所述的像面面积大于或者等于或者小于物面面积。
3.根据权利要求1所述的超分辨成像方法，其特征在于：沿着主轴方向上的介电常数和磁导率的值为，大于10至趋向于无穷大；
垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的值为，小于0.1至趋向于0，主轴方向的介电常数和磁导率数值越大，垂直于主轴方向上的介电常数和磁导率的数值越趋向于0，器件的超分辨效果越好。
4.一种采用根据权利要求1所述的方法设计的超分辨成像器件，其特征在于：
整个器件为矩形，由两个各向异性的光学零空间介质的直角三角形相对构成，第一各向异性介质（1-1）的主轴方向沿水平x方向，第二各向异性介质（1-2）的主轴方向沿垂直y方向，成像的物面（S1）为矩形左侧的短边，成像的像面（S2）为矩形下侧的长边；
器件左侧短边物面（S1）上的电磁场分布首先被主轴为x方向的零空间介质投影到矩形的对角线，然后再被主轴沿着y方向的零空间介质投影到像面（S2）上，从物面（S1）到像面上（S2）的点由零空间介质建立了一一对应关系，物面（S1）上的电磁场分布与像面（S2）上的电磁场分布存在一一对应关系；物面（S1）上的点被线性地映射到像面（S2）上，物面（S1）上任意位置处等间距的点在被映射到像面（S2）上之后得到的放大间距相同，即该成像器件具有等放大倍率，即像面（S2）和物面（S1）的面积之比S2/S1。
5.一种采用根据权利要求1所述的方法设计的超分辨成像器件，其特征在于：依次包括物面（S1）、较小的柱面（S3）、较大的柱面（S4）、像面（S2），位于物面（S1）上的电磁场分布首先被主轴沿着x方向的第一零空间介质（2-1）投影到较小的柱面（S3）上，然后再被主轴沿着径向方向的零空间介质（2-2）投影到较大的柱面（S4）上，然后再被主轴沿着x方向的第二零空间介质（2-3）投影到像面（S2）上，器件的放大率也是等于像平面面积和物平面面积之比S2/S1。
6.一种采用根据权利要求4或者5所述的超分辨成像器件的成像装置。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于：所述的像面（S2）用作物面，所述的物面（S1）用作像面，用于缩小成像、纳米压印领域。
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