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曾经有这样一个传言，“中国的万里长城是太空中能看到的地球上唯一的人工建筑”，这让我们中国人自豪无比。但神舟载人飞船上天后，包括杨利伟、刘洋在内的众多航天员都曾说过，“没有看到长城”，这是为何呢？
长城
其实人眼的分辨率很有限，只有0.3角分左右，即便在二百公里左右的近地点轨道高度上，不考虑任何天气因素，人眼至多看清17米以上的目标，因此对于宽度不过七八米的长城，确实有心无力了。当然了，若是不考虑“看清”，而只是“看到”，那么只要在夜间将长城照的灯火通明，太空中的宇航员就有可能“看到”长城了。不过这就像远远看到商店的霓虹灯箱，却看不清楚灯箱的字一样，不属于我们此处讨论的范畴。
200公里左右太空看长城效果示意图
成像系统的分辨率之所以会受到限制，除了光学元件存在像差之外，更重要的原因是光波存在衍射效应，使得一个理想无限小的点物体发射的光波通过系统成像后，由于成像系统口径有限，物体光的高频成分被阻挡，最终参与成像的只有物体光波的低频成分（因此传统成像系统本质上相当于一个低通滤波器），使得最终的像不再是一个无限小的理想点，而成为了一个弥散的亮斑，称为“艾里斑”。
因此当两个点物体距离较近时，它们通过成像系统后形成的两个艾里斑就会重叠到一起无法分辨，两个物点恰能分辨的距离就是极限分辨距离，对应的张角即为极限分辨角，这就是著名的“瑞利判据”。科学家发现，通常情况下该极限分辨率与光的波长（λ）、成像系统口径（D）和数值孔径（NA）等参数有关。
瑞利判据
为了获得更好的成像效果，科学家尝试了许许多多的方法：在光刻系统中使用越来越短的光波（如目前因特尔等芯片企业已开始使用极紫外光），扩大成像系统口径（如天文望远镜口径已达到10米以上），增加成像系统数值孔径（如显微成像系统使用浸油等方式获得更大的NA）等，但这些方法都未能摆脱理论极限的影响。
“衍射极限”仿佛是一片笼罩在头顶的阴霾，成为了看似坚不可摧的障碍。为了能够打破这个枷锁和桎梏，实现超分辨成像，科学家们真是脑洞大开，展现出了无穷的智慧。
2014年获得诺贝尔奖的STED成像技术，就是典型的开脑洞的结果。大家可以来思考这样一个问题，如何用一根两毫米粗的铅笔画出一毫米细的线呢？答案就是，再给我一块橡皮，把边缘擦掉。STED技术就利用了这样一种思路，既然衍射效应使得弥散斑的存在不可避免，那就找块“橡皮”把弥散斑边缘擦除掉，这样就可以获得突破衍射极限的成像效果了。STED的全称为“受激辐射损耗成像技术”，是一种超分辨荧光成像技术，通常使用两束不同波长的光照射荧光物质，一束光是“铅笔光”，用来激发荧光；另一束光是“橡皮光”，用来抑制荧光。“铅笔光”往往是实心光斑，而“橡皮光”则是空心光斑，嵌套在一起，就能起到超分辨成像的效果。
STED荧光成像技术
作为一个低通滤波器，传统光学系统损失了很多高频成分的物光波，因此无法突破衍射极限。随着近场光学的发展，科学家逐渐认识到，实际上还有很多高频的物光波以“倏逝波”的形式束缚于物体表面，无法进入成像系统。所谓“倏逝波”，是指这种光波的强度在垂直表面的方向上急速衰减。如果有方法可以将这种近场的“倏逝波”利用起来，则可以实现超分辨成像，“扫描近场光学显微镜（SNOM）”应运而生。SNOM的实现方法并不唯一，有的通过一根极细的波导将近场光传导出来，有的则是利用极细探针的作用将近场光散射出来，参与成像。
扫描近场光学显微成像技术
中学时我们曾经学过光的折射定律，描述了光波在不同折射率的两种物质间传播时，折射角与折射率的关系。通常物质的折射率是正值，因此入射光和折射光位于法线的两侧。若折射率为负值，则入射光与折射光位于法线的同侧，这种新颖的光学材料也被称为“负折射材料”。
除了折射角的差异，负折射材料对倏逝波还有奇特的操控能力。正如前文所述，束缚于物体表面的倏逝波传播一个波长左右的距离强度就会剧烈衰减。但倏逝波在负折射材料中传播时，强度却是逐渐放大的，因此可以使用负折射材料制成透镜，将倏逝波用于成像过程，这就是所谓的“超级透镜”。
负折射材料超级透镜
虽然一般认为光波的衍射不可避免，但在某些情况下，一些特殊种类的光束是无衍射的，例如Bessel光束。若将此类无衍射光束用于成像系统中，则可以突破衍射极限，实现超分辨成像。严格的Bessel光束只存在于理论计算中，但现实中可以通过圆锥透镜产生近似Bessel光束，用于成像系统中。
圆锥透镜产生Bessel光束
Bessel光束超分辨成像效果
生活中当我们提到“超分辨成像”，目的都是将微小的物体放大，以供人类观察。但实际上，反过来的过程也同样重要，如在光刻领域，如何将一张巨大的电路图缩印到狭小的芯片上，是一个非常值得研究的课题。
前文中我们提到，可以设法使近场倏逝波参与成像过程，实现物体表面的超分辨成像。反过来，也可以通过操控光场，将物体的像变成近场倏逝波的形式。而这种近场波是可以用于光刻的，理论上又不受到衍射极限的限制，因此可以用比传统投影缩印简单地多的方法实现高分辨率的光刻效果，这就是“表面等离子体光刻”的基本思路。
英特尔创始人之一摩尔曾提出，集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍，这就是著名的“摩尔定律”。目前国际主流的光刻技术是光学投影光刻，随着集成电路特征尺寸的不断减小，投影光刻机的光学系统早已变得无比复杂，而摩尔定律也面临失效的风险。而分辨率不受衍射极限限制的“表面等离子体光刻技术”，很可能成为挽救摩尔定律的重要工具，也成为我国在光刻技术领域后发先至、换道超车的制胜法宝。如我国科学家早在2004年就已实现了超分辨SP光刻， 由于SP的等效波长可以达到X射线量级，在i线实现22nm以下的光刻效果不再是难事（注：i线是指高压汞灯的谱线，波长365nm）。
通过SP光刻技术实现的光刻结果
除了上述几类技术之外，超分辨成像领域还有光激活定位显微镜技术（PALM），随机光学重建显微技术（STORM），结构光照明技术（SIM）等等。总之，不用畏惧极限，极限就是用来打破的。
《物理学报》近期邀请本领域国内外专家，报道了衍射极限方面的多项重要进展，希望能使读者朋友们对衍射极限产生更深刻的认识。http://wulixb.iphy.ac.cn/CN/volumn/home.shtml
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文章来源：中国科学院光电技术研究所 罗先刚
编辑：山寺小沙弥
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