为了突破声学成像当中衍射极限对最小成像分辨率的限制，研究者们提出了多种新颖的超材料以及超表面，为超分辨率声学成像开辟了新的思路。然而，这些精细复杂的人工结构具有制造困难、成本高昂、热粘滞损耗偏大以及难以与现有成像系统集成等问题。近日，华中科技大学和中国科学院声学研究所的科研人员们提出了一种不需要借助实际物理结构就能实现亚波长成像的声学“虚拟透镜”。这种虚拟透镜能够对高空间频率的频谱成分进行选择性放大以补偿携带精细结构信息的倏逝波远离物体表面的快速衰减，理论上可以实现全频段的声学超分辨率成像。该方法对于具有亚波长尺度的不规则图形的成像效果及其在噪声下的表现均得到了水下声学实验验证，。研究成果以“Acoustic sub-wavelength imaging via a virtual super-lens”为题发表在Applied Physics Letters期刊上，获得了特色论文(Featured article)，并被评选为封面文章。华中科技大学物理学院硕士研究生郑辰和博士研究生曾龙生为本文的共同第一作者，中国科学院声学研究所刘拓研究员、华中科技大学物理学院彭玉桂副教授和祝雪丰教授为论文的共同通讯作者。
成像，一直以来是备受科学家们关注的研究方向，有众多诺贝尔奖颁发给了成像相关的研究，如核磁共振成像技术（1952年）、CT扫描技术（1979年）、冷冻电镜技术（2017年）等等。其中，对于打破衍射极限实现超分辨的追求更是催生了诸如超分辨荧光显微技术的突出贡献。声学成像以其非侵入式、成本低廉、无创等优势，在在生物医学工程、无损检测抑或水下探测等方面都有独特的优势，具有相当广泛的应用前景和应用潜力。由于波的衍射效应，声学成像过程同样从根本上受到衍射极限的制约。携带有丰富高空间频率信息的倏逝波成分在远离物体表面时呈现指数衰减，难以被有效探测，这使得成像系统的最小分辨率被约束在约半个波长的尺度。尽管近年来蓬勃发展的超材料为如何利用倏逝波从而突破该制约带来了新的契机，如负折射率透镜、各向异性超材料以及法布里-珀罗共振超透镜，等等，但受限于超材料本身的制造成本、无法忽视的热粘滞损耗以及与现有测量系统集成的难度，这些精细复杂的人工结构难以真正在实际成像系统中得到广泛应用。因此，寻找一种能够灵活应用于多种测量场景中的超分辨成像方法仍然有重要的研究意义。
为了解决上述问题，本研究提出了一种名为“虚拟透镜”的成像方法，能够在不借助人工结构的同时实现声波的亚波长成像。对于具有亚波长尺度的声源分布[图 1(a)]，由于携带高空间频率成分的倏逝波的指数衰减特性，声源产生的声波经过一段距离的传播之后其场分布会丢失掉倏逝波所对应的精细结构信息[图 1(b)]。所提出的虚拟透镜通过选择性的放大这些倏逝波成分，恢复出原有图像的声场强分布[图 1 (c)]，形同一个能够放大倏逝波的实体负折射率透镜。该方法的可行性在对于双缝结构的有限元仿真计算中得以证实，并且在噪声情况下仍然具有良好表现。
图1. 声学虚拟超透镜的概念示意图。
水下超声测量系统给出了虚拟透镜在真实测量环境中的表现[图 3]：对于复杂、非规则的兔子形状样品，所能得到的模糊探测结果在计算处理后重新展现出兔子图形的精细特征，并且和有限元模拟给出的结果高度吻合。图像精细特征的展现程度和过滤窗的范围息息相关，以1.0 MHz的情况为例，随着虚拟透镜所放大空间频谱范围的增加，兔子眼睛部分的精细结构特征得以被分辨。更进一步的，该成像方式也能够在声速场中达到良好的应用效果，为声学成像的新方法提供可能。从实验设置中可以看出，该方法不需要借助于任何复杂的人造结构，因此有着广泛、灵活的应用空间，对诸如声学传感、探测、成像等多种应用场景提供一种有前途的策略。
图2. 兔子形状样品的超分辨成像。(a)激光加工制作的兔子形状样品；(b)实验设置；(c)不同频率下兔子形状样品的探测声场强分布和经过“虚拟透镜”之后恢复后的声场强分布的模拟结果；(d)实验中兔子形状样品对应的探测结果和恢复结果。
该项工作获得了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
文章链接：
https://doi.org/10.1063/5.0233793
关于我们
合作推广
版权声明
文中所有图片和文字版权归21dB声学人所有
如需转载或媒体合作，请与我们联系
