GUIDE
导读
声成像因无创、低成本优势，在医学诊断、无损检测等领域不可或缺，但其分辨率长期受衍射极限桎梏 —— 传统技术难以突破半个波长的横向与纵向分辨阈值，亚百微米尺度成像更是力不从心。近期，中科院深圳先进院、华中科技大学与香港中文大学团队在《Advanced Materials》发表的成果，为这一难题提供了突破性解法。
该研究以 “器件 + 算法” 双路径破局，核心在于全参数优化超构透镜与频域重建技术的协同。为实现远场超分辨聚焦，团队通过二进制遗传算法优化超构透镜同心环结构，经 122 代迭代收敛后，基波与谐波焦斑均突破 0.5 波长极限；选用钨基底结合紫外飞秒激光加工，制成厚度仅 50μm 的高精度器件。针对超构透镜频谱过滤导致的纵向分辨率下降，团队巧用其色散特性，通过频域信号分解与深度匹配重建，将 “失真缺陷” 转化为深度分辨资源。
实验验证中，谐波模式下横向分辨率达 44μm（0.2λ₁）、纵向 148μm（0.68λ₁），远超传统菲涅尔透镜；不仅清晰分辨 50μm 线宽人工狭缝，更精准呈现秋刀鱼肌肉与鱼骨边界，三维成像中成功区分 150μm 间距的不同深度目标。
这项研究打破 “横向提升必牺牲纵向” 的固有认知，但逐点扫描 30 分钟的低效率、高频谐波穿透有限等问题仍待解决。未来结合相控阵与 AI 算法后，有望在肿瘤早诊、微缺陷检测等场景实现实用化突破。
超声成像在医学诊断、无损检测和水下探测等领域有着重要地位，但其分辨率始终受限于衍射极限——传统透镜（如梯度透镜、菲涅尔透镜）或相控阵只能接近半个波长的极限。这意味着，想要在亚百微米尺度上看清细节，传统方法往往力不从心。
最近，来自中科院深圳先进技术研究院、华中科技大学与香港中文大学的团队在 Advanced Materials 发表最新成果，提出通过“全参数优化的超构透镜”与“频域重建”相结合的方法，在实验中实现了三维声学成像横向与纵向分辨率的同步突破。
图2.基于超构透镜的声学成像。图2A：通过声学超构透镜实现基波和谐波的亚波长聚焦。图2B：超构透镜的滤波效应 —— 频域滤波会导致时域内声波脉冲展宽，从而降低回波脉冲成像的纵向分辨率。图2C：超构透镜针状聚焦的色散特性，该特性可用于频域重建。图2D：制备的声学超构透镜实物图（插图：具有超精细结构的样品扫描电子显微镜（SEM）图像）。
技术思路
这项研究聚焦于两个核心问题：
1.如何在远场（>20λ₀或 40λ₁，λ₀为基波波长，λ₁为二次谐波波长）实现超衍射的横向聚焦？
2.如何避免超构透镜固有的频谱过滤效应导致纵向分辨率下降？
研究团队的答案是“器件 + 算法”的双管齐下。
（1）超构透镜的全参数优化
为实现远场超分辨聚焦，团队将超构透镜结构抽象为一系列同心环，并引入二进制遗传算法进行全参数优化 —— 设置种群规模为 200以覆盖更大解空间，算法运行 122 代确保种群收敛，每代选取前 10% 个体（共 20 个）作为 “精英群体” 保留优质基因，同时将突变概率设为 0.05以避免陷入局部最优。优化目标明确：基波频率下焦斑零点间距 d₁<1.22λ₀、半高全宽（FWHM）<0.5λ₀，谐波频率下零点间距 d₂<1.22λ₁、FWHM<0.5λ₁，且预设透镜中心区域为通光孔（ξⁿ=1）以保障超声回波高效穿透。
在制备环节，团队选用钨作为基底材料（兼顾声学衰减控制与结构稳定性），通过紫外飞秒激光系统加工 —— 激光工作波长 345nm、脉冲宽度 900fs、重复频率 400kHz，聚焦光斑尺寸仅 3μm，激光功率密度精准控制为 0.25J/cm²；同时在同心环间设计类似建筑 “梁柱结构” 的支撑件，有效防止加工与使用中结构变形，最终制成厚度仅 50μm、最窄线宽 50μm 的超构透镜。
团队充分利用了超声波在水中的非线性效应：因流体粘性与热传导作用，声波传播中会自然产生二次、三次、四次谐波（谐波强度依次降低），这些更短波长的分量经超构透镜聚焦后，能进一步压缩焦斑尺寸，显著增强分辨能力。
（2）频域重建方法
超构透镜虽然能提高横向分辨率，但其频谱选择性会拉长脉冲，导致纵向分辨率下降。团队没有回避这个问题，而是利用透镜的色散特性：根据关系式b=ρₘ²/(mλ)（m=2,4,6…，ρₘ为第 m 个环缝半径） ，不同频率的声波会在透镜后沿传播轴聚焦于不同深度。
基于这一特性，团队提出频域重建策略：对回波信号进行频谱分解，提取不同频率成分的成像数据，再将各频段结果精准重建到对应深度 —— 例如频率 1 的信号对应深度 1、频率 3 的信号对应深度 3，利用 “时间 - 频率不确定性关系（ΔₐTΔₐÎT≥1/4，ΔₐT 为时域波包宽度，ΔₐÎT 为频域波包宽度）”，将原本导致分辨率下降的 “频谱失真” 转化为实现深度分辨的核心资源。该方法可直接兼容谐波成像，为纵向分辨率进一步提升提供可能。
实验验证
研究团队在厚度仅 50 μm 的钨片上制备了超构透镜，并搭建专属实验装置进行验证：采用Olympus 商用无聚焦压电换能器作为声源，其 - 6dB 带宽覆盖 3.9-15.01MHz，中心频率 8.03MHz，分数带宽约 138%；换能器与超构透镜间距约为 4cm，透镜焦距设为 5mm；同时使用直径 40μm 的 PA-NH0040 型水听器（灵敏度 6nV/Pa（±3dB）、阻抗 14pF（±2pF））采集信号，位移台步长严格控制为 5μm（<λ₀/40），确保测量的超精细空间分辨率，信号采集则通过100MHz 采样频率的采集卡完成，数值模拟依托COMSOL Multiphysics 5.6 有限元求解器进行。
图4. 超构透镜的横向超分辨成像。图4A：基于基波和谐波聚焦的超声回波脉冲成像示意图。图4B：声学成像用的制备图案（扫描电子显微镜图像显示，物体 1 的特征线宽仅为 50μm）。图4C：用于声学成像的秋刀鱼组织（含鱼骨）。图4D：菲涅尔透镜在基波频率（f）下，以及超构透镜在基波（f）和谐波（2f）频率下，对（B）中狭缝图案的声学成像结果。图4E：（D）中三种情况下沿 a 线的回波强度分布。图4F：利用超构透镜对秋刀鱼进行的粗略全身成像结果。图4G：菲涅尔透镜在基波频率（f）下，以及超构透镜在基波（f）和谐波（2f）频率下，对秋刀鱼的精确局部成像结果。
实验结果显示：
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在基频模式下，横向分辨率达到 80 μm（≈0.37λ₀），纵向分辨率恢复至 296 μm（≈1.36λ₀）； -
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在谐波模式下，横向分辨率进一步提升至 44 μm（≈0.2λ₀），纵向分辨率提高至 148 μm（≈0.68λ₀）。 -
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与传统菲涅尔透镜对比，超构透镜焦斑尺寸（基波85μm / 谐波 45μm）远小于前者（基波 195μm / 谐波 90μm），优势显著。
在具体成像测试中：
- 人工样品方面
，团队在 50μm 厚钨板制备狭缝图案（最大线宽 85μm（≈0.39λ₀）、最小线宽 50μm（≈0.23λ₀）），超构透镜在谐波模式下可清晰分辨所有狭缝，而传统菲涅尔透镜因分辨率不足无法区分； -
- 生物组织方面
，对秋刀鱼尾部组织（含柔软肌肉与坚硬鱼骨）成像时，超构透镜不仅能显现鱼骨轮廓，还能捕捉到肌肉与骨骼间的边界细节，且谐波成像分辨率优于基波成像； -
- 三维成像方面
，在声轴 z₁=4.7mm、z₂=5.0mm、z₃=5.15mm 处分别放置铜线（直径 80μm）与石墨棒（直径 200μm），时域重建因脉冲展宽出现明显重叠伪影，而频域重建后可清晰区分间距仅 150μm 的 z₂与 z₃平面目标。
图5.频域重建的3D高分辨率成像。图5A：利用全参数优化超构透镜对 3D 物体（如 1 号平面和 3 号平面上的两根铜线、2 号平面上的一根石墨棒）进行成像的示意图。图5B：3D 物体在 1 号、2 号、3 号平面上的时域声学成像结果。图5C：沿传播轴不同位置（z=4.7、4.8、4.9、5.0、5.15mm）处聚焦超声波脉冲的光谱（插图：z=4.7、5.0、5.15mm 处聚焦脉冲的波形）。
优势与不足
这项研究的最大亮点在于同时解决了横向与纵向分辨率的矛盾，打破了“横向提升必然牺牲纵向”的固有观念。它展示了超构透镜与信号处理协同的潜力，并将非线性谐波纳入设计，进一步提升了成像精度。
但局限性同样明显：实验依赖逐点扫描，一次三维成像扫描包含 320×320×1024 个采样点，采集需 30 分钟，效率有待提升；高频谐波在生物组织中的穿透深度有限，可能限制深层成像应用；水槽实验环境与实际医学（如体内组织）或工业（如复杂工件）场景仍有差异。
未来展望
研究团队提出，这一方法未来可与相控阵超声结合，替代逐点扫描实现快速成像；算法层面可引入人工智能与稀疏重建，依托搭载 RTX A6000 GPU、Intel (R) Xeon (R) CPU Gold 6226R 的计算机集群加速频域数据处理；应用上需逐步在体外 phantom 与体内动物模型中验证，以确定在医学诊断（如肿瘤早期诊断）、工业无损检测（如微结构缺陷识别）和水下探测（如微小目标定位）中的可行性。
论文信息：Zong-Lin Li, Lai-Xin Huang, Qi-Li Sun, Yong-Jian Zhao, Peng-Qi Li, Yu-Gui Peng, Long-Sheng Zeng, Juan Zhou, Yang Xiao, Xue-Feng Zhu*, Fei Li*, Hai-Rong Zheng*. 3D Acoustic Imaging Hitting the Diffraction Limit via Fully Parameter-Optimized Meta-Lens and Frequency-Domain Reconstruction[J]. Advanced Materials,2025,e08453.
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