超分辨成像技術漫談

曾經有這樣一個傳言，「中國的萬里長城是太空中能看到的地球上唯一的人工建築」，這讓我們中國人自豪無比。但神舟載人飛船上天后，包括楊利偉、劉洋在內的眾多航天員都曾說過，「沒有看到長城」，這是為何呢？

長城

其實人眼的解析度很有限，只有0.3角分左右，即便在二百公里左右的近地點軌道高度上，不考慮任何天氣因素，人眼至多看清17米以上的目標，因此對於寬度不過七八米的長城，確實有心無力了。當然了，若是不考慮「看清」，而只是「看到」，那麼只要在夜間將長城照的燈火通明，太空中的宇航員就有可能「看到」長城了。不過這就像遠遠看到商店的霓虹燈箱，卻看不清楚燈箱的字一樣，不屬於我們此處討論的範疇。

200公里左右太空看長城效果示意圖

成像系統的解析度之所以會受到限制，除了光學元件存在像差之外，更重要的原因是光波存在衍射效應，使得一個理想無限小的點物體發射的光波通過系統成像後，由於成像系統口徑有限，物體光的高頻成分被阻擋，最終參與成像的只有物體光波的低頻成分（因此傳統成像系統本質上相當於一個低通濾波器），使得最終的像不再是一個無限小的理想點，而成為了一個彌散的亮斑，稱為「艾里斑」。

因此當兩個點物體距離較近時，它們通過成像系統後形成的兩個艾里斑就會重疊到一起無法分辨，兩個物點恰能分辨的距離就是極限分辨距離，對應的張角即為極限分辨角，這就是著名的「瑞利判據」。科學家發現，通常情況下該極限解析度與光的波長（λ）、成像系統口徑（D）和數值孔徑（NA）等參數有關。

瑞利判據

為了獲得更好的成像效果，科學家嘗試了許許多多的方法：在光刻系統中使用越來越短的光波（如目前因特爾等晶元企業已開始使用極紫外光），擴大成像系統口徑（如天文望遠鏡口徑已達到10米以上），增加成像系統數值孔徑（如顯微成像系統使用浸油等方式獲得更大的NA）等，但這些方法都未能擺脫理論極限的影響。

「衍射極限」彷彿是一片籠罩在頭頂的陰霾，成為了看似堅不可摧的障礙。為了能夠打破這個枷鎖和桎梏，實現超分辨成像，科學家們真是腦洞大開，展現出了無窮的智慧。

STED成像技術

2014年獲得諾貝爾獎的STED成像技術，就是典型的開腦洞的結果。大家可以來思考這樣一個問題，如何用一根兩毫米粗的鉛筆畫出一毫米細的線呢？答案就是，再給我一塊橡皮，把邊緣擦掉。STED技術就利用了這樣一種思路，既然衍射效應使得彌散斑的存在不可避免，那就找塊「橡皮」把彌散斑邊緣擦除掉，這樣就可以獲得突破衍射極限的成像效果了。STED的全稱為「受激輻射損耗成像技術」，是一種超分辨熒光成像技術，通常使用兩束不同波長的光照射熒光物質，一束光是「鉛筆光」，用來激發熒光；另一束光是「橡皮光」，用來抑制熒光。「鉛筆光」往往是實心光斑，而「橡皮光」則是空心光斑，嵌套在一起，就能起到超分辨成像的效果。

STED熒光成像技術

掃描近場光學顯微鏡

作為一個低通濾波器，傳統光學系統損失了很多高頻成分的物光波，因此無法突破衍射極限。隨著近場光學的發展，科學家逐漸認識到，實際上還有很多高頻的物光波以「倏逝波」的形式束縛於物體表面，無法進入成像系統。所謂「倏逝波」，是指這種光波的強度在垂直表面的方向上急速衰減。如果有方法可以將這種近場的「倏逝波」利用起來，則可以實現超分辨成像，「掃描近場光學顯微鏡（SNOM）」應運而生。SNOM的實現方法並不唯一，有的通過一根極細的波導將近場光傳導出來，有的則是利用極細探針的作用將近場光散射出來，參與成像。

掃描近場光學顯微成像技術

負折射材料超級透鏡

中學時我們曾經學過光的折射定律，描述了光波在不同折射率的兩種物質間傳播時，折射角與折射率的關係。通常物質的折射率是正值，因此入射光和折射光位於法線的兩側。若折射率為負值，則入射光與折射光位於法線的同側，這種新穎的光學材料也被稱為「負折射材料」。

除了折射角的差異，負折射材料對倏逝波還有奇特的操控能力。正如前文所述，束縛於物體表面的倏逝波傳播一個波長左右的距離強度就會劇烈衰減。但倏逝波在負折射材料中傳播時，強度卻是逐漸放大的，因此可以使用負折射材料製成透鏡，將倏逝波用於成像過程，這就是所謂的「超級透鏡」。

負折射材料超級透鏡

Bessel光束成像

雖然一般認為光波的衍射不可避免，但在某些情況下，一些特殊種類的光束是無衍射的，例如Bessel光束。若將此類無衍射光束用於成像系統中，則可以突破衍射極限，實現超分辨成像。嚴格的Bessel光束只存在於理論計算中，但現實中可以通過圓錐透鏡產生近似Bessel光束，用於成像系統中。

圓錐透鏡產生Bessel光束

Bessel光束超分辨成像效果

表面等離子體（SP）光刻技術

生活中當我們提到「超分辨成像」，目的都是將微小的物體放大，以供人類觀察。但實際上，反過來的過程也同樣重要，如在光刻領域，如何將一張巨大的電路圖縮印到狹小的晶元上，是一個非常值得研究的課題。

前文中我們提到，可以設法使近場倏逝波參與成像過程，實現物體表面的超分辨成像。反過來，也可以通過操控光場，將物體的像變成近場倏逝波的形式。而這種近場波是可以用於光刻的，理論上又不受到衍射極限的限制，因此可以用比傳統投影縮印簡單地多的方法實現高解析度的光刻效果，這就是「表面等離子體光刻」的基本思路。

英特爾創始人之一摩爾曾提出，集成電路上可容納的元器件的數目，約每隔18-24個月便會增加一倍，性能也將提升一倍，這就是著名的「摩爾定律」。目前國際主流的光刻技術是光學投影光刻，隨著集成電路特徵尺寸的不斷減小，投影光刻機的光學系統早已變得無比複雜，而摩爾定律也面臨失效的風險。而解析度不受衍射極限限制的「表面等離子體光刻技術」，很可能成為挽救摩爾定律的重要工具，也成為我國在光刻技術領域後發先至、換道超車的制勝法寶。如我國科學家早在2004年就已實現了超分辨SP光刻， 由於SP的等效波長可以達到X射線量級，在i線實現22nm以下的光刻效果不再是難事（註：i線是指高壓汞燈的譜線，波長365nm）。

通過SP光刻技術實現的光刻結果

除了上述幾類技術之外，超分辨成像領域還有光激活定位顯微鏡技術（PALM），隨機光學重建顯微技術（STORM），結構光照明技術（SIM）等等。總之，不用畏懼極限，極限就是用來打破的。

《物理學報》近期邀請本領域國內外專家，報道了衍射極限方面的多項重要進展，希望能使讀者朋友們對衍射極限產生更深刻的認識。http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/volumn/home.shtml

參考文獻

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文章來源：中國科學院光電技術研究所 羅先剛

編輯：山寺小沙彌

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