帖子
勛章
關(guān)注
任務(wù)
華中科大取得逼近分辨率極限的相干衍射計算成像新成果 近日，期刊“Light: Science & Applications”刊發(fā)華中科技大學(xué)機械學(xué)院機械電子信息工程系劉世元教授、谷洪剛教授團隊在相干衍射計算成像領(lǐng)域最新成果，并被選為期刊封面文章，題為“Pushing the resolution limit of coherent diffractive imaging（逼近相干衍射成像分辨率極限）”。學(xué)院2021級博士生劉力為論文第一作者，劉世元教授和谷洪剛教授為通訊作者。 在實際光學(xué)成像系統(tǒng)中，橫向分辨率通常定義為R=k（λ/NA），其中λ表示照明波長，NA表示成像系統(tǒng)的數(shù)值孔徑，k為成像因子（與照明條件、信號失真及樣品特性相關(guān)）。在阿貝衍射極限下，成像因子為0.5，其定義了完美成像系統(tǒng)最終可分辨距離的理論極限。由于光波不可避免的衍射效應(yīng)，實際成像因子k將增大至0.61，即所謂的瑞利衍射極限，這是傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法逾越的實際物理邊界。 CDI憑借其無透鏡幾何架構(gòu)和理論上完美的傳遞函數(shù)，被認(rèn)為是實現(xiàn)阿貝分辨率極限最具前景的成像范式。經(jīng)學(xué)界長期攻關(guān)，包括像差、漸暈效應(yīng)、受限的景深和視場、相干性退化，系統(tǒng)誤差以及重建偽影等系列關(guān)鍵問題確實得到了解決或顯著改善，使CDI已經(jīng)能輕松接近或超越瑞利衍射極限（kRayleigh=0.61）。事實上，某些進(jìn)展已成功將成像因子推近阿貝極限附近（kAbbe=0.5）。然而，已報道的接近阿貝極限分辨率的CDI均于低數(shù)值孔徑（NA<0.6）條件下實現(xiàn)。當(dāng)NA>0.6時，成像因子難以達(dá)到0.5的阿貝極限。迄今為止，尚未有報道在超高數(shù)值孔徑（NA>0.8）下實現(xiàn)阿貝極限分辨率的無透鏡成像實驗。因此，受限于較低數(shù)值孔徑和較差的成像因子，目前的CDI系統(tǒng)成像分辨率仍局限于0.69λ。  事實上，CDI領(lǐng)域在高NA條件下逼近衍射極限分辨率長期面臨一個挑戰(zhàn)——埃瓦爾德球效應(yīng)。在無透鏡成像幾何中，測量信號通常為衍射圖樣（或其序列）。基于倒易空間的測量衍射圖樣與實空間編碼信息，結(jié)合嚴(yán)格的前向－后向衍射傳播模型，可通過相位檢索算法迭代重建復(fù)場，進(jìn)而得到相關(guān)試樣和照明波前。然而，用于CDI的傳統(tǒng)夫瑯禾費衍射（Conventional Fraunhofer Diffraction,CFD）模型僅在遠(yuǎn)場區(qū)域具有精確數(shù)值精度；在近場高NA場景中，笛卡爾平面探測器與真實球面衍射場之間存在固有衍射畸變。盡管幾何映射（Geometric Correction,GC）方法可建立笛卡爾平面至球面空間的坐標(biāo)插值關(guān)系，但CDI的前后向傳播模型（即近場菲涅爾衍射）僅能求解拋物線型衍射分布。這種空間錯位——測量衍射場的ES球空間與傳播模型計算的拋物線空間之間的不匹配——導(dǎo)致ES效應(yīng)僅能被部分抑制而無法徹底消除。  為徹底消除ES效應(yīng)，研究團隊從圖1b所示的瑞利-索末菲衍射積分出發(fā)，在距離項r中摒棄近似的麥克勞林級數(shù)展開，轉(zhuǎn)而采用嚴(yán)格的泰勒展開，從而消除衍射傳播中的傍軸近似與二項式近似。基于此，推導(dǎo)出全新的RFD傳播模型。與傳統(tǒng)夫瑯禾費衍射相比，模型間的差異通過映射計算，在迭代前將高數(shù)值孔徑下的笛卡爾空間測量衍射場逆向插值至真實ES空間，使得CDI逆問題直接在ES空間進(jìn)行反演求解，完全消除了ES效應(yīng)同時，不會增加的額外計算負(fù)擔(dān)。  基于上述成像框架，本研究在CDI中驗證了完美傳遞函數(shù)的理論可行性，并成功將成像分辨率推至阿貝衍射極限。特別是在無透鏡疊層衍射成像中，研究團隊于接近0.9的超高NA系統(tǒng)下，將成像因子k優(yōu)化至0.501，逼近了阿貝分辨率極限。憑借超高NA與逼近阿貝極限的k因子，最終在CDI系統(tǒng)中實現(xiàn)了0.57λ的近半波長級橫向分辨率，研究結(jié)果如上圖所示。 事實上，“嚴(yán)格夫瑯禾費衍射”（RFD）計算框架本質(zhì)上仍根植于標(biāo)量衍射理論。因此，其可廣泛拓展至前向/后向衍射傳播、光學(xué)空間成像、逆問題相位檢索、波場通信與傳感、光學(xué)計算及加密等領(lǐng)域。值得注意的是，該框架對波場的適用性也不限于電磁場，在聲學(xué)、地震學(xué)、波動力學(xué)等涉及波傳播的相關(guān)領(lǐng)域同樣具有廣闊的應(yīng)用前景。 相關(guān)工作得到了國家自然科學(xué)基金重點項目和前沿探索項目、湖北省重點研發(fā)計劃、湖北光谷實驗室創(chuàng)新項目、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金以及華中科技大學(xué)重大科技創(chuàng)新項目等課題支持。 論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41377-025-01963-2 |
