تصویربرداری کامل، از نظریه تا واقعیت از طریق شبیه سازی

تصویربرداری کامل به ایده تولید تصاویر با جزئیات کمتر از حد پراش اشاره دارد، جایی که حتی کوچکترین عناصر را می توان بدون توجه به طول موج نور مورد استفاده، به وضوح نامحدودی حل کرد. در حالی که فقط یک نظریه 150 سال پیش بود، تحقیقات ما را در طول سالها به واقعیت نزدیکتر کرده است. اکنون، محققان دانشگاه پلی‌تکنیک Cedint در اسپانیا، از طریق شبیه‌سازی، آن را یک قدم جلوتر می‌برند.

لنز چشم ماهی ماکسول و حد پراش

سیستم‌های تصویربرداری مدت‌ها موضوع مطالعه فیزیکدانان مشهوری مانند ماکسول بوده است، که عدسی چشم ماهی را پیشنهاد کردند که از یک عدسی شاخص گرادیان بین یک جفت نقطه در فضا استفاده می‌کند. این جفت با دو نقطه متضاد که روی سطح کروی قرار گرفته اند، مشخص می شود. چنین عدسی قرار بود یک سیستم “تصویربرداری کامل” یا به عبارت دیگر، سیستمی باشد که قادر به تمرکز (تصویربرداری) کوچکترین جزئیات از یک نقطه از سطح خود به نقطه دیگر باشد. اجرای پیشنهاد ماکسول با یک ماده معمولی با ضریب شکست مثبت به دلیل حد پراش غیرممکن در نظر گرفته شد . در عمل، این بدان معنی است که در فرآیندهایی مانند فتولیتوگرافی، اندازه ویژگی های یک دستگاه الکترونیکی نمی تواند کوچکتر از طول موج نور مورد استفاده باشد.

زیر حد پراش با مواد معمولی

در سال 2004 ثابت شد که یک ماده مصنوعی با ضریب شکست منفی (همچنین به عنوان یک فراماده شناخته می شود ) می تواند برای غلبه بر حد پراش استفاده شود. بعدها، در سال 2009، یک نظریه پیشرفت نشان داد که در واقع می توان از یک ماده معمولی برای ساخت عدسی چشم ماهی Maxwell استفاده کرد. رویکرد دوم، پروفسور خوان کارلوس مینینو و تیم تحقیقاتی اش در دانشگاه پلی تکنیک سدینت مادرید را مجذوب خود کرد. آن‌ها تصمیم گرفتند از شبیه‌سازی برای اثبات این نظریه استفاده کنند که می‌توان با طراحی دستگاهی با خواص نوری معادل عدسی چشم ماهی ماکسول، اما با هندسه‌ای متفاوت، از حد پراش فراتر رفت: یک موجبر ژئودزیکی کروی.

موجبر ژئودزیکی کروی برای تصویربرداری کامل

یک موجبر ژئودزیکی کروی، که توسط میناو و همکارانش طراحی شده است، یک موجبر بسیار نازک کروی فلزی است که با یک ماده غیر مغناطیسی پر شده است (شکل زیر را ببینید). در حال حاضر، این دستگاه هنوز یک دستگاه پیشنهادی است که به لطف شبیه سازی قابل مطالعه، بهینه سازی و ساخت است. تیم مینانو نمی‌توانست به اپتیک هندسی متوسل شود ، و بنابراین، برای حل معادلات ماکسول با دقت واقعی، تصمیم گرفتند بر COMSOL Multiphysics و ماژول RF تکیه کنند . مدل موجبر ژئودزیکی کروی با استفاده از COMSOL توسط محقق فوق دکتری Dejan Grabovickic از گروه Minano طراحی و شبیه سازی شد.

موجبر ژئودزیک کروی برای تصویربرداری کامل که سطح مقطع کابل کواکسیال و موجبر کروی را نشان می دهد.
موجبر ژئودزیکی کروی با پورت تخلیه در بالا (سمت چپ)، که در آن مقطع کابل کواکسیال و مش آن نشان داده شده است. مقطع (سمت راست) موجبر ژئودزیکی کروی شامل پورت تخلیه.

موجبر ژئودزیکی کروی برای انتقال در فواصل کوتاه طراحی شده است و ویژگی های تصویربرداری فوق العاده را نشان می دهد: می تواند تغییرات در موقعیت گیرنده خود را که بسیار کوچکتر از طول موج نور مورد استفاده است را حس کند. تصویربرداری فوق‌العاده می‌تواند اندازه الکترونیک یکپارچه را به شدت کاهش دهد، و همانطور که دژان در مجله IEEE Spectrum ، Multiphysics Simulation می‌گوید، می‌تواند امکان تولید الکترونیک یکپارچه‌ای را فراهم کند که «بسیار کوچک‌تر از آنچه که در حال حاضر وجود دارد – چیزی شبیه به 100 برابر کوچکتر.»