非線性透鏡使影像更清晰、視野不狹隘

New technique that scrambles light may lead to sharper images, wider views
http://www.physorg.com/news159537382.html

April 21st, 2009

當攝影師放大某一個物體以便看得更清楚時，他們失去了寬角度的視角（perspective） -- 他們被迫以「大圖」背景來交換細節。現在，普林斯頓（Princeton）研究者開發出一種成像方法，那導致某組透鏡，在維持同樣高度細節的情況下，一次顯示該場景的所有部份。這種新方法能協助打造出更強大的顯微鏡與其他光學裝置。

"那允許你更靠近觀看一物體而不用窄化你的視野，" Jason Fleischer，普林斯頓電機工程助教授，他領導此一研究。這項研究，與畢業生 Christopher Barsi 以及 Wenjie Wan 共同撰寫，成了 Nature Photonics 四月號封面故事。

相機與其他光學裝置 -- 包括人眼 -- 受限於它們透過其透鏡孔徑，或稱 apertures（光圈、孔徑），所能收集的光量。為了要使光線（light ray ）能被記錄，它得通過透鏡組並抵達該裝置的「偵測器」 -- 例如眼睛的視網膜或數位相機的偵測器。但許多光線從未抵達偵測器，不是因為它們太微弱，就是因為它們已經偏斜。

這種問題對小於光波長的細節而言格外嚴重。（每種色光都有截然不同的波長 -- 以綠色為例，波長為 530 奈米，大小約某一典型細菌的內部構造。）來自於這種微小特徵的光線在它們抵達透鏡之前就已經逐漸消失。為了捕捉這些光線，裝置得要非常靠近物體表面探測，並一點接著一點的掃描它，藉此拼湊出一張完整的影像。（譯註：AFM 或 STM 就是這樣玩）

"實際上，這些這些裝置均受「以管窺天（tunnel vision）」之苦，" Fleischer 說。

這種新方法利用某些稱之為非線性光學材料（nonlinear optical materials）的不尋常特性來對付小 apertures 的缺點。在傳統透鏡材料，諸如玻璃或塑膠，光線能通過而不會與之交互作用。在非線性材料中，光線會彼此以複雜方式混合。未抵達相機的光線也許會傳遞（pass along）某些它們的資訊給那些確實被它所記錄的光線。幸虧有這種光線混合，否則資訊將無法抵達相機。

來自於非線性鏡頭的影像也因而細節更豐富。不幸的是，那也有可能被扭曲（distorted，失真） -- 對傳統光學而言一點用處都沒有。但如果資訊能夠恢復原狀（unscrambled），電腦將為整個場景重新建構一張高解析度、未失真的影像。"在這一種影像裡，該場景所有部份都將同時被「放大（zoomed in）」，" Fleischer 表示。

到目前為止，科學家只在受到高度約束的（constrained）設置中才能實現這種拼湊（unscrambling）與重建，例如光纖纜線。這有一部份是因為相機與其他光學設備無法完全記錄光學資訊 -- 它們僅記錄顏色與亮度，這些特性在日常體驗中均可察覺。

光的另一種特性，稱為相位（phase），對於恢復某一物體或場景更細緻細節不可或缺，那測量波峰的時間與位置。

為了捕捉他們的非線性材料所賦予的光學資訊，普林斯頓研究者使用設備來拍攝一種特別的相片，稱為全像圖（hologram，全息圖），那記錄相位。他們亦結合來自於普通相機的資料。身為處理所有這種資訊的第一步，他們創造出一種簡化的、讓光流經某種非線性材料的模型。接著，他們發展出一種數學技術，除了能對付失真影像之外，還能反向進行（works backward）計算，算出影像與物體之間的空間中，每一點的光學資訊。這種方法使得在任何選定的一點 -- 在相機、在物體本身的位置，或二者之間某一處 -- 創造出高解析度影像成為可能。

配備這些技術，這個普林斯頓團隊設置它的成像系統。核心元件，一個非線性波混合器（nonlinear wave mixer），那是一種藥丸般大小的矩形結晶體，其材料稱為鈮酸鍶鋇（strontium barium niobate）。研究者把要成像的物體置於結晶體一端，而影像捕捉設備在另一端。他們藉由獲得各種物體的影像來測試這套系統，那包括美國空軍所開發的一種圖，那廣泛用於校正光學裝置。在每個例子中，這套系統都能以高解析度構成物體的影像。我們對於它運作如此之好感到驚訝，" Barsi 說。

藉由捕捉通常會失去的影像，這種新方法能大大強化使用正常光的解析度 -- 讓科學家能建造顯微鏡與其他具有所謂超解析度（super-resolution）能力的裝置。利用紫外光或 X 光（其波長小於可見光）的傳統方法可能獲得類似解析度，不過這類「輻射」會傷害活細胞。"這種新方法能以細胞真正喜歡的光線來幫你看得更加精準，" Fleischer 說。

這種方法的其他應用包括用來製造電腦晶片、生醫元件等等的微影術（lithography）。將此方法顛倒使用，即可利用雷射，透過非線性結晶體將較大圖案縮小至目標表面上。

另一種有趣的用途是斷層掃描（tomography）。目前該技術以不同觀點（viewpoints）取得的二維影像組成 3D 影像。相較之下，這種新系統能夠從單一觀點取得的影像直接算出三維光學資訊，可能簡化了這種設置。

這種新方法的其他潛在應用包括資料加密與描繪新非線性材料的光學特性。也能夠幫助理解光在通過這類介質時的行為。除了探索這些可能性之外，該團隊目前正開發更好的非線性透鏡材料以及改良他們的重建技術。

※ 相關報導：

＊ Imaging through nonlinear media using digital holography
http://www.nature.com/nphoton/journal/v3/n4/abs/nphoton.2009.29.html

Christopher Barsi, Wenjie Wan & Jason W. Fleischer
Nature Photonics 3, 211 - 215 (2009)
Published online: 22 March 2009
doi: 10.1038/nphoton.2009.29

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