悉尼大学的研究人员开发了一种突破性的方法，可以在没有超级镜头的情况下实现超分辨率成像，这为从医学成像到艺术鉴定的各个领域提供了潜在的进步。

新技术可用于医学诊断和先进制造业。

自从17世纪末安东尼·范·列文虎克(Antonie van Leeuwenhoek)通过显微镜发现细菌世界以来，人类一直试图更深入地观察无极微小的世界。

然而，使用传统的光学方法，我们对物体的观察程度是有物理限制的。这就是所谓的“衍射极限”，它是由光以波的形式表现这一事实决定的。这意味着聚焦后的图像永远不能小于用于观察物体的光波长的一半。

用“超级镜片”打破这一限制的尝试都遇到了极端视觉损失的障碍，镜片变得不透明。现在，悉尼大学的物理学家们已经展示了一种以最小损失实现超透镜的新途径，突破了衍射极限，几乎是衍射极限的四倍。他们成功的关键是完全移除超级镜头。

这项研究发表在今天(10月18日)的《自然通讯》杂志上。

对科学及其他领域的影响

研究人员说，这项工作将允许科学家进一步改进超分辨率显微镜。它可以在癌症诊断、医学成像、考古学和法医学等领域推进成像技术。

该研究的主要作者、悉尼大学物理学院和纳米研究所的亚历山德罗·图尼兹博士说:“我们现在已经开发出一种实用的方法来实现超透镜，而不需要超级透镜。

科学家们使用一种新的超级透镜技术，通过虚拟后观察技术，观察到一个只有0.15毫米宽的物体。物体“太赫兹”(代表使用的“太赫兹”光频率)显示为初始光学测量(右上);正常透镜后(左下);超透镜后(右下)。资料来源:悉尼大学

“为了做到这一点，我们将光探测器放置在远离物体的地方，并收集高分辨率和低分辨率的信息。通过测量更远的距离，探测器不会干扰高分辨率数据，这是以前方法的一个特点。”

之前的尝试尝试使用新材料制造超级镜片。然而，大多数材料吸收太多的光，使超级镜头有用。

图尼兹博士说:“我们通过在计算机上进行超级透镜操作，作为测量本身之后的后处理步骤，来克服这个问题。通过选择性地放大消失或消失的光波，产生物体的“真实”图像。

实际应用与未来展望

合著者，同样来自物理和悉尼纳米学院的副教授Boris Kuhlmey说:“我们的方法可以应用于以更高的分辨率确定叶片中的水分含量，或者在先进的微制造技术中有用，例如对微芯片完整性的非破坏性评估。”

“这种方法甚至可以用来揭示艺术品中的隐藏层，也许在发现艺术品伪造或隐藏作品方面很有用。”

通常情况下，超透镜的尝试都是试图密切关注高分辨率的信息。这是因为这些有用的数据会随着距离呈指数级衰减，并很快被低分辨率数据所淹没，而低分辨率数据衰减得没有那么快。然而，将探针移动到离物体太近的地方会使图像失真。

研究人员Alessandro Tuniz博士(右)和Boris Kuhlmey副教授在悉尼大学纳米研究所的悉尼纳米科学中心实验室。图片来源:Stefanie Zingsheim/悉尼大学

Kuhlmey副教授说:“通过将探测器移到更远的地方，我们可以保持高分辨率信息的完整性，并使用后观测技术过滤掉低分辨率数据。”

这项研究使用的是毫米波的太赫兹频率的光，位于可见光和微波之间的光谱区域。

Kuhlmey副教授说:“这是一个非常困难的频率范围，但非常有趣，因为在这个范围内，我们可以获得关于生物样品的重要信息，如蛋白质结构，水合动力学，或用于癌症成像。”

图尼兹博士说:“这项技术是实现高分辨率图像的第一步，同时与物体保持安全距离，而不会扭曲你所看到的。”

“我们的技术可以用于其他频率范围。我们希望任何使用高分辨率光学显微镜的人都会对这项技术感兴趣。”

参考文献:A Tuniz和B Kuhlmey，“通过虚拟超透镜在辐射近场中的亚波长太赫兹成像”，2023年10月18日，《自然通讯》。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 41949 - 5

资助:澳大利亚研究委员会