微米透镜的成像改进方法及其机理研究

A microscale lens can convert the evanescent wave which contains the subwavelength details of an object to the propagating wave, which results in near-field magnification that is able to resolve features beyond the diffraction limit. Such a lens will provide new pathways in real-time bio-imaging. To push these microlenses into real applications, their magnification and contrast need to be further improved. In the proposal, we will study how the frequency components of the object and the total internal reflection effect affect the imaging properties of a microlens, study how the evanescent wave couples in the microscale lens and convert to the propagating wave, and find out the mechanisms in the microscale lens super-resolution imaging. We will deposit metallic nanostructures on top of the object or the microscale lens, explore the applications of the SPPs effect, the antenna effect, and scattering effect of the metallic nanostructures on the propagating and magnifying of the evanescent, the magnifying of the near-field signal and the object, and finally improve the contrast and magnification of the microscale lens. These studies will help the realization of practical super-resolution imaging microscale lenses.

微米透镜(microscale lens)能将携带物体细节的倏逝波转变成可传输的波，从而实现超分辨成像。这种超分辨成像微米透镜在实时动态成像等领域具有重要的应用前景。为了将微米透镜推向实际应用，其成像放大率和对比度有待进一步提高，而且其超分辨成像机理有待进一步厘清。本项目拟通过研究目标物的频域分布特性、全反射效应等因素对微米透镜成像特性的影响，来探索倏逝波如何耦合进微米透镜中并转变成可传播的波，进而揭示微米透镜超分辨成像机理；我们拟在目标物表面或微米透镜的一侧沉积微纳金属结构，探索利用微纳金属结构中表面等离激元波效应、天线效应、散射效应等来实现倏逝波信号的传输及放大、近场光学信号的增强和图像放大，从而提高微米透镜的成像放大率和对比度。这些研究将有助于开发出实用的超分辨微米透镜。

在白光光源照射下，微米尺寸的介质球（微米/微球透镜）能够对含有小于衍射极限细节的物体成一放大的像，即能将携带物体细节的倏逝波转变成可传输的波。通过普通光学显微镜观测这一放大的像，就可以观察到这带有小于衍射极限细节的物体，实现超分辨率成像。本项目在下面三个方面对这种具有超分辨成像特性的微球透镜进行了深入的研究：第一，在微球透镜的成像性能方面：研究不同尺寸高折射率钛酸钡玻璃（BTG）微球透镜的成像特性，特别是当微球直径增大，成像特性向几何光学过渡的过程；研究了BTG微球透镜与样品保持一定的空间距离时的成像特性，发现BTG微球透镜和样品表面有一定距离时，仍然具有超分辨成像能力；通过把微球半浸没在SU-8胶中来减少微球成像时的畸变；研究了非球形微透镜的超分辨成像特性以及浸没介质SU-8光刻胶的厚度对BTG微球成像的影响。第二，微球透镜的成像机理方面：我们研究了微球透镜的尺寸，浸没介质等因素对微球透镜的光子纳米喷流和微球透镜超分辨成像特性的影响，以及微球透镜产生的光子纳米喷流的长度和其成像范围的关系的影响，揭示了光子纳米喷流在微球超分辨成像中作用。第三，提高微球透镜成像分辨率和对比度的途径方面：我们把几何光学中通过油浸的方式提高物镜的数值孔径这一思路引入到微球透镜，提高了BTG微球成像时的分辨率；研究了样品表面镀有的银膜对BTG微球成像效果的影响。发现粗糙银膜引起的散射作用和表面等离激元波的局域场增强效应,使得更多物体的高频信息耦合进微球, 可提高微球成像的分辨率和成像范围；研究了介质平面波导耦合的微球透镜的成像特性，发现平面介质波导结构可以有效的提高微球透镜对物体高频成分的耦合效率；提出了利用级联型微球透镜来改善微球透镜的成像放大率。这些研究将有助于开发出实用的超分辨微球透镜。