CN114322863B - 对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供一种对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法，该方法包括：波源向物体发射波，波被物体散射后产生倏逝场，经倏逝场激发产生可传输到远场的波信号，物体的特征尺寸与波信号的、随时间变化的波强度之间具有对应关系；波强探测器探测随时间变化的波强度；计算单元获取随时间变化的波强度和对应关系并且基于该二者确定物体的特征尺寸。本申请实施例的技术方案突破了衍射效应的限制，可以基于上述对应关系探测出任意大小的物体。
Description
技术领域
本发明涉及物体探测领域，尤其涉及对突破衍射极限的显微物体进行远场超分辨探测的方法。
背景技术
在对物体进行探测时，被探测的物体小于二分之一个波长的高空间频率信息(也成为超衍射极限的信息)由倏逝场携带，但是，这种倏逝场局限在被探测物体表面附近而不能传播到远场。因此，通常的远场探测技术能够探测到的空间成像分辨率极限约为入射波波长的二分之一左右。
现有探测物体超衍射极限信息的技术主要包括近场扫描显微技术、基于人工微结构材料的超透镜探测技术、以及基于荧光标记的荧光显微探测等。
在近场扫描显微技术中，将波源或者探测器放置于被探测物体的近场，在近场对被探测物体的倏逝场进行逐点扫描，这不仅使得成像速度慢，而且难免破坏需要被探测目标物体的信息，容易产生假像。
在基于人工微结构材料超透镜的探测技术中，将透镜放置在被探测物体的近场，使得被探测物体需要紧贴透镜放置；并且，由于这种透镜是由人工微结构材料构成的，因此，其可获得的空间分辨率受到透镜的精细微结构、复杂程度(受限于微加工技术)、吸收损耗等的严格限制。
在基于荧光标记的荧光显微技术中，利用了材料的非线性效应，需要高功率激光和非线性响应材料(荧光标记物)；并且需要点对点扫描或者拍摄成百上千幅原始图像用于图像重建，导致成像过程复杂且缓慢。
发明内容
本发明解决的技术问题是现有探测物体超衍射极限信息的技术具有探测速度慢、容易产生假像、空间分辨率受限于透镜的精细微结构等、以及需要利用非线性材料和高功率激光器等缺陷。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法，其包括：波源向物体发射波，波被物体散射后产生倏逝场，经倏逝场激发产生可传输到远场的波信号，物体的特征尺寸与波信号的、随时间变化的波强度之间具有对应关系；波强探测器探测随时间变化的波强度；计算单元获取随时间变化的波强度和对应关系并且基于该二者确定物体的特征尺寸。
可选地，波为任意频段的电磁波、弹性波或者声波。
可选地，波源和波强探测器均位于远场，远场为到物体的表面的距离大于波的波长的区域。
可选地，波具有单一波长，波的波长为单一波长；或者，波包括离散的多个波长，波的波长为离散的多个波长中的任一个波长。
可选地，计算单元适于将随时间变化的波强度进行傅里叶变换而获得特征振动频率，并基于特征振动频率和对应关系获得物体的特征尺寸，对应关系为：
Ps＝λ/(1+fs/f0)，
其中，Ps为特征尺寸，λ为波的波长，fs为特征振动频率，f0为波的中心频率。
可选地，上述方法包括：基于物体的预估尺寸选择相应的波源；判断能否获得特征振动频率；如果为是则指示计算单元基于特征振动频率和对应关系计算特征尺寸，如果为否则选择不同波长的波源、重复上述判断步骤直至获得特征振动频率、以及指示计算单元基于特征振动频率和对应关系计算特征尺寸。
可选地，特征尺寸为物体的表面处彼此相邻的部分之间的距离、或者为物体的实际尺寸。
可选地，特征尺寸为物体内部二处之间的距离，二处散射波源发射的波而获得相应的倏逝场，其激发相应的传播到远场的波信号，波信号的随时间变化的波强度经傅里叶变换后，在频域具有特征振动频率。
可选地，经倏逝场激发而产生可传输到远场的波信号通过如下波信号复振幅的公式计算：
其中，ψs(z,t)为波信号的复振幅，i为虚数单位，t为波信号传输的时间，z为波信号的传播距离，ωs为波信号的特征角频率，ω为波源的角频率，c为波在自由空间中的传输速度，k⊥为倏逝场的波数，Θ(t-z/c)为开关函数，开关函数在t≦z/c时取值为0、在t>z/c时取值为1。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案至少具有以下有益效果。
例如，在现有技术中，波源向物体发射的波被物体散射后产生倏逝场，其位于近场，因此无法在远场探测到。而在本发明实施例的技术方案中，波源向物体发射的波被物体散射后产生倏逝场，其激发产生可传输到远场的波信号；由于物体的特征尺寸与波信号的、随时间变化的波强度之间具有对应关系，因此可以基于该对应关系和波强探测器探测的波强度确定物体的特征尺寸。本发明实施例的技术方案可以探测由倏逝场激发的波信号，这不仅突破了衍射效应的限制(超衍射极限)，还可以基于上述对应关系探测出任意大小的物体，例如探测出该物体的特征尺寸。
又例如，在现有的近场扫描显微技术中，需要波源或者探测器放置于被探测物体的近场而直接探测倏逝场，在基于人工微结构材料的超透镜探测技术中，需要将透镜放置在被探测物体的近场，并将倏逝场转换成传播场到远场进行探测；这使得设置波源、探测器或者透镜的难度大，对透镜的精细微结构、吸收损耗等要求严格，并且探测的操作复杂。而在本发明实施例的技术方案中，探测经倏逝场激发而产生可传输到远场的波信号，在该探测的过程中，可以将波源和探测器均放置于远场，这使得波源和探测器的设置容易，并且探测的操作简单。
再例如，在现有的荧光显微技术中，不仅利用了材料的非线性效应，需要高功率激光和非线性响应材料，如荧光标记物，没有从原理上提供探测超分辨物体的物理机制；而且仍然需要点对点扫描或者拍摄成百上千幅原始图像用于图像重建，导致成像过程复杂且缓慢。而在本发明实施例的技术方案中，不需要依赖附加的标记材料和非线性效应，直接从原理上提供了一种线性方法探测超分辨物体。
附图说明
图1是本发明实施例中对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的设备的一种结构示意图；
图2是本发明实施例中对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的设备的另一种结构示意图；
图3是本发明实施例中随时间变化的波强度及其对应的频谱的示意图；
图4是本发明实施例中对突破衍射极限的物体的特征尺寸进行探测的一种示意图，其中特征尺寸表示物体表面的起伏变化；
图5是本发明实施例中对突破衍射极限的物体的特征尺寸进行探测的一种示意图，其中特征尺寸表示物体的实际尺寸；
图6是本发明实施例中对突破衍射极限的物体的特征尺寸进行探测的一种示意图，其中特征尺寸表示物体的内部结构；
图7是本发明实施例中对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明的实施例提供一种对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的设备。
如图1、2、4至6所示，设备100、200、300、400、500用于对物体进行远场照明和远场探测。设备100、200、300、400、500可以包括波源110、波强探测器120和计算单元130。
波源110可以向物体发射波。
波可以具有单一波长(即仅具有一个频率的波)，此时，波的波长λ为该单一波长。波也可以包括离散的多个波长(即具有多个频率的波)，此时，波的波长λ为该离散的多个波长中的任一个波长。
在具体实施中，波源110可以为电磁场源，其发射的波为电磁波，例如无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和γ射线；波源110发射的波也可以为弹性波源，其发射的波为弹性波，例如体波和界面波；波源110发射的波还可以为声波源，其发射的波为声波，例如次声波、可闻声波、超声波和特超声波。
物体对波源110发射的波进行散射，从而产生倏逝场和传播场。
在本发明的实施例中，物体对波源110发射的波进行散射时产生不同频率的倏逝场，而不同频率的倏逝场会激发并且产生可传输到远场的波信号，该波信号产生的原理可以通过如下波信号复振幅的公式表示：
其中，ψs(z,t)为波信号的复振幅，i为虚数单位，t为波信号传输的时间，z为波信号的传播距离，ωs为波信号的特征角频率，ω为波源的角频率，c为波在自由空间中的传输速度，k⊥为倏逝场的波数，Θ(t-z/c)为开关函数，开关函数在t≦z/c时取值为0、在t>z/c时取值为1。
上述公式在倏逝场(如其波数k⊥)和其激发产生的、可传输到远场的波信号[如其复振幅ψs(z,t)]之间建立了关联。
在上述公式中，在其他参数已知的情形下，随着波信号的传播距离z的逐渐增大，波信号的复振幅ψs(z,t)逐渐减小。
在本发明的实施例中，物体对波所进行的散射包括透射型散射和反射型散射。其中，透射型散射表示，入射波照射于物体表面、边缘或者内部结构后，发生散射，而散射后产生的波可以透过物体而到达位于物体后侧的波强探测器120；反射型散射表示，入射波照射于物体表面、边缘或者内部结构后，发生散射，而散射后产生的波被反射而到达位于物体前侧的波强探测器120。
如图1所示，设备100对物体11进行远场照明和远场探测。物体11可以对波进行透射型散射，散射后产生的波透过物体11而到达位于物体11后侧的波强探测器120。
如图2所示，设备200对物体12进行远场照明和远场探测。物体12可以对波进行反射型散射，散射后产生的波透过物体12被反射而到达位于物体12前侧的波强探测器120。
波强探测器120可以探测经倏逝场激发而产生可传输到远场的波信号，该波信号为随时间变化的波强度信号。
在一些实施例中，波强探测器120可以为已知的照度计、波照强度测量仪、振幅实部探测设备等，其将波信号的波强度转换为相应强度的电流，并且基于被度量的电流确定相应的探测物理量的大小。
波强探测器120还可以对不同波长(或者不同频率)的波强度分别进行测量。
波强度可以随着时间而变化，波强探测器120可以实时地探测波强度，从而获得波强度在时域的分布。
在本发明的实施例中，波源发射的波具有波长λ，到被探测物体的表面的距离小于λ的区域可称为近场，到被探测物体的表面的距离大于λ的区域可称为远场。
在设备100、200、300、400、500对物体进行远场照明和远场探测时，波源110和波强探测器120均位于远场。
在一个实施例中，如图3的子图3a所示，波强探测器120实时地探测到波强度随时间变化的分布。
随时间变化的波强度分布可以进行傅里叶变换，而获得频谱，其横坐标为波强度分布对应的频域，如图3的子图3b所示。
在该频谱中，具有特征振动频率fs。
物体可以为固体或者液体，其中可以具有特征尺寸Ps，其与上述频谱中的特征振动频率fs对应。
物体的特征尺寸Ps小于衍射极限，例如其长、宽、高、直径或者其表面相距最远的二点之间的距离可以小于波的波长λ的一半。
在一些实施例中，特征尺寸Ps可以表示物体表面的起伏变化的大小。
如图4所示，设备300对物体13进行远场照明和远场探测。物体13表面具有彼此相邻的部分，例如为相邻的峰部A和谷部B，其中，峰部A和谷部B可以相互参照而进行比较，从而分别具有彼此相对的峰部和谷部。彼此相邻的峰部A和谷部B类似于光栅结构，对波源110发射的波进行散射而获得相应的倏逝场，其激发相应的传播到远场的波信号，波信号具有随时间变化的波强度，其经傅里叶变换后，在频域具有高频幅的频率(特征振动频率)fs，参照图3所示。特征尺寸Ps表示峰部A和谷部B之间的距离，即峰部A的顶峰和谷部B的谷底之间的距离。
在另一些实施例中，特征尺寸Ps可以表示物体的实际尺寸。
如图5所示，设备400对物体14进行远场照明和远场探测。物体14的实际尺寸可以通过其表面相距较远或者最远的边缘位置C和D表示。物体14位于边缘位置C和D之间，其类似于光栅结构，对波源110发射的波进行散射而获得相应的倏逝场，其激发相应的传播到远场的波信号，波信号具有随时间变化的波强度，其经傅里叶变换后，在频域具有高频幅的频率(特征振动频率)fs，参照图3所示。特征尺寸Ps表示边缘位置C和D之间的距离，即物体14的实际尺寸。
在又一些实施例中，特征尺寸Ps可以表示物体的内部结构。
如图6所示，设备500对物体15进行远场照明和远场探测。物体15内部的二处E、F具有不同的材料、密度、构造、浓度或者其他物理属性。物体15在该二处E、F之间的部分类似于光栅结构，对波源110发射的波进行散射而获得相应的倏逝场，其激发相应的传播到远场的波信号，波信号具有随时间变化的波强度，其经傅里叶变换后，在频域具有高频幅的频率(特征振动频率)fs，参照图3所示。特征尺寸Ps表示该二处E、F之间的距离。
以上结合图4至6描述了关于特征尺寸Ps的相关实施例，尽管图4至6示意了透射型散射，应理解，上述关于特征尺寸Ps的实施例也可以应用于反射型散射的场景。
计算单元130可以获取随时间变化的波强度和对应关系并且基于该二者确定物体的特征尺寸。
在本发明的实施例中，物体的尺寸与波信号的、随时间变化的波强度之间具有对应关系。
具体而言，计算单元130可以接收波强探测器120输出的随时间变化的波强度，并且可以对随时间变化的波强度分布进行傅里叶变换，而获得相应的频谱。因此，物体的特征尺寸与波信号的、随时间变化的波强度之间的对应关系可以表示为物体的特征尺寸与相应的频谱之间的对应关系，其通过如下公式表示：
Ps＝λ/(1+fs/f0)，
其中，Ps为特征尺寸，λ为波的波长，fs为特征振动频率，f0为波的中心频率。
当波具有单一波长时，上式中波的波长λ取该单一波长。当波包括离散的多个波长时，例如包括λ1、λ2时，上式中波的波长λ可以取离散的多个波长中的任一个波长，例如取λ1或者λ2。
计算单元130可以获取物体的尺寸与相应的频谱的对应关系或者物体的特征尺寸Ps与特征振动频率fs的对应关系，该对应关系可以预先存储于存储器中，该存储器可以设置于计算单元130内部或者外部。在计算单元130进行计算时，可以从存储器中读取该对应关系。
理论上，通过物体的特征尺寸Ps与特征振动频率fs的对应关系，基于波源110发射的波的波长λ、特征振动频率fs和波的中心频率f0，计算单元130可以计算出任意大小的物体的特征尺寸Ps。
在实际实验的探测中，可探测物体的特征尺寸Ps由波强探测器120的探测精度决定。本实施例依据自主拥有的探测器的探测精度，可探测的、物体的特征尺寸Ps可以达到波的波长λ的六分之一，突破了衍射极限(其约为波长的二分之一)。
在数值模拟实验中，通过物体的特征尺寸Ps与特征振动频率fs的对应关系进行计算，可探测的、物体的特征尺寸Ps可以达到波的波长λ的三十分之一，这远远突破了衍射极限。
在实际探测时，对物体进行远场照明和远场探测的设备可以包括控制单元，波源可以选择性地设置。例如，若干个不同波长的波源均可以被控制单元控制而选择性地向物体发射波，控制单元可以选择其中的一个波源向物体发射波。
具体而言，首先，可以预估被探测物体的尺寸，然后控制单元基于该预估的尺寸选择相应的波源。例如，基于输入的预估被探测物体的尺寸a，控制单元选择发射波的波长为2a的波源。
接着，控制单元判断在对波强度分布进行傅里叶变换而获得相应的频谱中能否确定特征振动频率fs。如果能确定特征振动频率fs，则控制单元指示计算单元基于该特征振动频率fs和对应关系计算物体的特征尺寸Ps。如果不能确定特征振动频率fs，则控制单元可以选择不同波长的波源；控制单元重复该步骤，直至在频谱中可以确定特征振动频率fs，并且基于该特征振动频率fs计算物体的特征尺寸Ps。
在本发明的实施例中，计算单元130和控制单元可以为处理器，例如为中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、通用处理器、微处理器、数字信号处理器(DigitalSignal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)、其他可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑器件、或者分立硬件组件等。
本发明的实施例还提供一种对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法。
如图7所示，对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法600包括：步骤S610，波源向物体发射波，波被物体散射后产生倏逝场，经倏逝场激发产生可传输到远场的波信号，物体的特征尺寸与波信号的、随时间变化的波强度之间具有对应关系；步骤S620，波强探测器探测随时间变化的波强度；步骤S630，计算单元获取随时间变化的波强度和对应关系并且基于该二者确定物体的特征尺寸。
在具体实施中，方法600可以基于上述设备100、200、300、400、500中的任一者执行。
在具体实施中，计算单元将随时间变化的波强度进行傅里叶变换而获得特征振动频率，对应关系为：
Ps＝λ/(1+fs/f0)，
其中，Ps为特征尺寸，λ为波的波长，fs为特征振动频率，f0为波的中心频率。
在具体实施中，控制单元可以执行以下步骤：基于物体的预估尺寸选择相应的波源；判断能否获得特征振动频率；如果为是则指示计算单元基于特征振动频率和对应关系计算特征尺寸，如果为否则选择不同波长的波源、重复上述判断步骤直至获得特征振动频率、以及指示计算单元基于特征振动频率和对应关系计算特征尺寸。
在具体实施中，波为任意频段的电磁波、弹性波或者声波。
在具体实施中，波源和波强探测器均位于远场，远场为到物体的表面的距离大于波的波长的区域。
在具体实施中，波具有单一波长，波的波长为单一波长；或者，波包括离散的多个波长，波的波长为离散的多个波长中的任一个波长。
在具体实施中，特征尺寸为物体的表面处彼此相邻的部分之间的距离、或者为物体的实际尺寸。
在具体实施中，特征尺寸为物体内部二处之间的距离，二处散射波源发射的波而获得相应的倏逝场，其激发相应的传播到远场的波信号，波信号的随时间变化的波强度经傅里叶变换后，在频域具有特征振动频率。
在具体实施中，经倏逝场激发而产生可传输到远场的波信号通过如下波信号复振幅的公式计算：
其中，ψs(z,t)为波信号的复振幅，i为虚数单位，t为波信号传输的时间，z为波信号的传播距离，ωs为波信号的特征角频率，ω为波源的角频率，c为波在自由空间中的传输速度，k⊥为倏逝场的波数，Θ(t-z/c)为开关函数，开关函数在t≦z/c时取值为0、在t>z/c时取值为1。
关于对物体进行远场照明和远场探测的方法600的具体原理和实施方式等，可以参照上述结合图1至6关于对物体进行远场照明和远场探测的设备的相关描述，这里不再赘述。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (8)
1.一种对突破衍射极限的物体进行远场照明和探测的方法，其特征在于，包括：波源向所述物体发射波，所述波被所述物体散射后产生倏逝场，经所述倏逝场激发产生可传输到远场的波信号，所述物体的特征尺寸与所述波信号的、随时间变化的波强度之间具有对应关系；波强探测器探测所述随时间变化的波强度；计算单元获取所述随时间变化的波强度和所述对应关系并且基于所述随时间变化的波强度和所述对应关系确定所述物体的特征尺寸，所述计算单元适于将所述随时间变化的波强度进行傅里叶变换而获得特征振动频率，并基于所述特征振动频率和所述对应关系获得所述物体的特征尺寸，所述对应关系为：Ps = λ/(1+fs/f0)，其中，Ps为所述特征尺寸，λ为所述波的波长，fs为所述特征振动频率，f0为所述波的中心频率。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波为任意频段的电磁波、弹性波或者声波。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波源和所述波强探测器均位于远场，所述远场为到所述物体的表面的距离大于所述波的波长的区域。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述波的波长为单一波长；或者，所述波的波长为离散的多个波长中的任一个波长。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括：
基于所述物体的预估尺寸选择相应的波源；
判断能否获得所述特征振动频率；
如果为是则指示所述计算单元基于所述特征振动频率和所述对应关系计算所述特征尺寸，如果为否则选择不同波长的波源、重复上述判断直至获得所述特征振动频率、以及指示所述计算单元基于所述特征振动频率和所述对应关系计算所述特征尺寸。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征尺寸为所述物体的表面处彼此相邻的部分之间的距离、或者为所述物体的实际尺寸。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述特征尺寸为物体内部二处之间的距离，所述二处散射所述波源发射的波而获得相应的倏逝场，其激发相应的传播到远场的波信号，所述波信号的随时间变化的波强度经傅里叶变换后，在频域具有所述特征振动频率。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，经所述倏逝场激发而产生可传输到远场的波信号通过如下波信号复振幅的公式计算：
，
其中，ψ s (z, t)为所述波信号的复振幅，i为虚数单位，t为所述波信号传输的时间，z为所述波信号的传播距离，ω s 为所述波信号的特征角频率，ω为所述波源的角频率，c为所述波在自由空间中的传输速度，k ⊥为所述倏逝场的波数，Θ(t-z/c)为开关函数，所述开关函数在t≦z/c时取值为0、在t>z/c时取值为1。
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