เลนส์พิเศษหรือเลนส์ซูเปอร์คือเลนส์ที่ใช้เมตาวัสดุเพื่อให้ได้ภาพความละเอียดสูงพิเศษและก้าวข้ามขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ขีดจำกัดการเลี้ยวเบนเป็นคุณลักษณะของเลนส์และกล้องจุลทรรศน์ ทั่วไป ที่จำกัดความละเอียดของภาพโดยขึ้นอยู่กับความยาวคลื่นของรังสีและรูรับแสงเชิงตัวเลข (NA) ของเลนส์วัตถุ มีการออกแบบเลนส์หลายแบบที่ได้รับการเสนอให้ก้าวข้ามขีดจำกัดการเลี้ยวเบนในบางวิธี แต่แต่ละแบบก็มีข้อจำกัดและอุปสรรค^{[ 1 ]}

ในปี ค.ศ. 1873 Ernst Abbeรายงานว่าเลนส์ธรรมดาไม่สามารถจับภาพรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ ของภาพใดๆ ได้ เลนส์พิเศษมีจุดประสงค์เพื่อจับภาพรายละเอียดดังกล่าว ข้อจำกัดของเลนส์ ธรรมดานี้ ได้ขัดขวางความก้าวหน้าในวิทยาศาสตร์ชีวภาพเนื่องจากไวรัสหรือโมเลกุล DNAไม่สามารถมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ธรรมดาที่มีกำลังขยายสูงสุด ข้อจำกัดนี้ยังขยายไปถึงกระบวนการเล็กๆ ของโปรตีนในเซลล์ที่เคลื่อนที่ไปตามไมโครทิวบูลของเซลล์ที่มีชีวิตในสภาพแวดล้อมตามธรรมชาติ นอกจากนี้ชิปคอมพิวเตอร์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ที่เกี่ยวข้อง ยังคงถูกผลิตในขนาดที่เล็กลงเรื่อยๆ ซึ่งต้องใช้อุปกรณ์ทางแสง เฉพาะทาง ซึ่งก็มีข้อจำกัดเช่นกันเนื่องจากใช้เลนส์ธรรมดา ดังนั้น หลักการที่ควบคุมเลนส์พิเศษแสดงให้เห็นว่ามีศักยภาพในการสร้างภาพโมเลกุล DNA กระบวนการโปรตีนในเซลล์ และช่วยในการผลิตชิปคอมพิวเตอร์และไมโครอิเล็กทรอนิกส์ที่มีขนาดเล็กลงไปอีก^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

เลนส์ทั่วไปจะจับเฉพาะคลื่นแสงที่แพร่กระจาย เท่านั้น ซึ่งเป็นคลื่นที่เดินทางจากแหล่งกำเนิดแสงหรือวัตถุไปยังเลนส์หรือดวงตาของมนุษย์ ซึ่งสามารถศึกษาได้ว่าเป็นสนามไกลในทางตรงกันข้าม เลนส์พิเศษจะจับทั้งคลื่นแสงที่แพร่กระจายและคลื่นที่อยู่บนพื้นผิวของวัตถุ ซึ่งสามารถศึกษาได้ทั้งสนามไกลและสนามใกล้^{[ 6 ] [ 7 ]}

ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 คำว่า "ซูเปอร์เลนส์" ถูกใช้โดยเดนนิส กาบอร์เพื่ออธิบายสิ่งที่แตกต่างออกไปอย่างสิ้นเชิง นั่นคือ ระบบอาร์เรย์เลนส์แบบผสม^{[ 8 ]}

ภาพของวัตถุสามารถนิยามได้ว่าเป็นตัวแทนที่จับต้องได้หรือมองเห็นได้ของคุณลักษณะของวัตถุนั้น ข้อกำหนดสำหรับการสร้างภาพคือการโต้ตอบกับสนามของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้ายิ่งไปกว่านั้น ระดับรายละเอียดของคุณลักษณะหรือความละเอียดของภาพนั้นถูกจำกัดด้วยความยาวของคลื่นรังสีตัวอย่างเช่น ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลการสร้างภาพและความละเอียดขึ้นอยู่กับความยาวของคลื่นแสงที่มองเห็นได้ อย่างไรก็ตาม ด้วยเลนส์พิเศษ ข้อจำกัดนี้อาจถูกกำจัดออกไป และสามารถสร้างภาพประเภทใหม่ได้^{[ 9 ]}

ลิโทกราฟีด้วยลำแสงอิเล็กตรอนสามารถเอาชนะข้อจำกัดด้านความละเอียด นี้ ได้ ในทางกลับกัน กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลไม่สามารถทำได้ เนื่องจากมีข้อจำกัดอยู่ที่ค่าที่สูงกว่า 200 นาโนเมตรเล็กน้อย^{[ 4 ​​]}อย่างไรก็ตามเทคโนโลยีใหม่ที่ผสมผสานกับกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลเริ่มทำให้ความละเอียดของคุณลักษณะเพิ่มขึ้น (ดูส่วนด้านล่าง)

นิยามหนึ่งของการถูกจำกัดด้วยขีดจำกัดความละเอียดคือ ความละเอียดที่ถูกตัดออกที่ครึ่งหนึ่งของความยาวคลื่นแสง สเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้มีช่วงตั้งแต่ 390 นาโนเมตรถึง 750 นาโนเมตรแสงสีเขียวซึ่งอยู่กึ่งกลางระหว่างสองช่วงนี้ มีความยาวคลื่นประมาณ 500 นาโนเมตร กล้องจุลทรรศน์คำนึงถึงพารามิเตอร์ต่างๆ เช่นรูรับแสงของเลนส์ระยะห่างจากวัตถุถึงเลนส์ และดัชนีหักเหของวัสดุที่สังเกต การรวมกันของปัจจัยเหล่านี้กำหนดขีดจำกัดความละเอียด หรือขีดจำกัดทางแสง ของกล้องจุลทรรศน์ ซึ่งมีค่าเท่ากับ 200 นาโนเมตร ดังนั้น เลนส์ทั่วไปซึ่งสร้างภาพของวัตถุโดยใช้คลื่นแสง "ธรรมดา" จึงละทิ้งข้อมูลที่สร้างรายละเอียดที่ละเอียดมากและเล็กจิ๋วของวัตถุซึ่งบรรจุอยู่ในคลื่นเอวาเนสเซนต์มิติเหล่านี้มีขนาดเล็กกว่า 200 นาโนเมตร ด้วยเหตุนี้ ระบบออปติคอลแบบดั้งเดิม เช่นกล้องจุลทรรศน์จึงไม่สามารถถ่ายภาพ โครงสร้าง ขนาดเล็กระดับนาโนเมตรหรือสิ่งมีชีวิตขนาดนาโนเมตรในร่างกาย ได้อย่างแม่นยำ เช่นไวรัส แต่ละตัว หรือโมเลกุลDNA ^{[ 4 ] [ 5 ]}

ข้อจำกัดของกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงมาตรฐาน ( กล้องจุลทรรศน์แบบส่องสว่าง ) มีอยู่ 3 ด้าน ได้แก่:

• เทคนิคนี้สามารถสร้างภาพวัตถุมืดหรือวัตถุที่มีการหักเหของแสง สูง ได้อย่างมีประสิทธิภาพ เท่านั้น
• ปรากฏการณ์การเลี้ยวเบนจำกัดความละเอียดของวัตถุหรือเซลล์ไว้ที่ประมาณ 200 นาโนเมตร
• แสงที่อยู่นอกระนาบโฟกัสทำให้ภาพไม่คมชัด

โดยทั่วไปแล้ว เซลล์ชีวภาพที่มีชีวิตมักขาดความคมชัดเพียงพอที่จะศึกษาได้อย่างมีประสิทธิภาพ เนื่องจากโครงสร้างภายในของเซลล์ส่วนใหญ่ไม่มีสีและโปร่งใส วิธีที่พบได้บ่อยที่สุดในการเพิ่มความคมชัดคือการย้อมโครงสร้างต่างๆ ด้วยสีย้อม เฉพาะ แต่บ่อยครั้งวิธีนี้เกี่ยวข้องกับการฆ่าและตรึงตัวอย่าง นอกจากนี้ การย้อมสีอาจทำให้เกิดสิ่งแปลกปลอมซึ่งเป็นรายละเอียดโครงสร้างที่ปรากฏขึ้นมา แต่เกิดจากกระบวนการเตรียมตัวอย่างและไม่ใช่ลักษณะที่แท้จริงของตัวอย่าง

เลนส์แก้วแบบดั้งเดิมนั้นแพร่หลายไปทั่วสังคมและวิทยาศาสตร์ ของเรา มันเป็นหนึ่งในเครื่องมือพื้นฐานของทัศนศาสตร์เพียงเพราะมันมีปฏิสัมพันธ์กับความยาวคลื่นแสงต่างๆ ในขณะเดียวกัน ความยาวคลื่นของแสงก็เปรียบได้กับความกว้างของดินสอที่ใช้ในการวาดภาพทั่วไป ข้อจำกัดนี้เข้ามาแทรกแซงในหลายๆ ด้าน ตัวอย่างเช่นเลเซอร์ที่ใช้ในระบบวิดีโอดิจิทัลไม่สามารถอ่านรายละเอียดจากดีวีดีที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของเลเซอร์ได้ ซึ่งจำกัดความจุในการจัดเก็บของดีวีดี^{[ 10 ]}

ดังนั้น เมื่อวัตถุปล่อยหรือสะท้อนแสง จะมีรังสีแม่เหล็กไฟฟ้า สองประเภท ที่เกี่ยวข้องกับปรากฏการณ์ นี้ ได้แก่ รังสีสนามใกล้และ รังสี สนามไกลดังที่ได้กล่าวไว้ รังสีสนามไกลจะหลุดออกไปนอกวัตถุ จากนั้นจึงสามารถจับและจัดการได้ง่ายด้วยเลนส์แก้วทั่วไป อย่างไรก็ตาม รายละเอียดความละเอียดที่มีประโยชน์ (ขนาดนาโนเมตร) จะไม่สามารถสังเกตได้ เนื่องจากรายละเอียดเหล่านั้นซ่อนอยู่ในสนามใกล้ รังสีเหล่านั้นยังคงอยู่เฉพาะที่ ใกล้กับวัตถุที่ปล่อยแสงมาก ไม่สามารถเดินทาง และไม่สามารถจับได้ด้วยเลนส์ทั่วไป การควบคุมรังสีสนามใกล้เพื่อให้ได้ความละเอียดสูง สามารถทำได้ด้วยวัสดุประเภทใหม่ที่หาได้ยากในธรรมชาติ วัสดุเหล่านี้แตกต่างจากของแข็ง ที่คุ้นเคย เช่นผลึกซึ่งได้รับคุณสมบัติจาก หน่วย อะตอมและโมเลกุลวัสดุประเภทใหม่นี้เรียกว่าเมตาวัสดุได้รับคุณสมบัติจากโครงสร้างที่ใหญ่กว่าที่สร้างขึ้นมา ส่งผลให้เกิดคุณสมบัติและการตอบสนองใหม่ๆ ซึ่งช่วยให้ได้รายละเอียดของภาพที่เหนือกว่าข้อจำกัดที่กำหนดโดยความยาวคลื่นของแสง^{[ 10 ]}

สิ่งนี้ทำให้เกิดความต้องการที่จะสังเกตปฏิสัมพันธ์ของเซลล์ชีวภาพแบบสดๆ ในสภาพแวดล้อมที่เป็นธรรมชาติ แบบเรียลไทม์ และความจำเป็นสำหรับการถ่ายภาพที่ความยาวคลื่นต่ำกว่าระดับที่มองเห็นได้ การถ่ายภาพที่ความยาวคลื่นต่ำกว่าระดับที่มองเห็นได้ สามารถนิยามได้ว่าเป็นการใช้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่สามารถมองเห็นรายละเอียดของวัตถุหรือสิ่งมีชีวิตที่ความยาวคลื่นต่ำกว่าแสงที่มองเห็นได้ (ดูรายละเอียดในส่วนด้านบน) กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ มีความสามารถในการสังเกตแบบเรียลไทม์ที่ความยาวคลื่นต่ำกว่า 200 นาโนเมตร กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงเป็นเทคนิคและเทคโนโลยีที่ไม่รุกราน เนื่องจากแสงในชีวิตประจำวันเป็นตัวกลางในการส่งผ่าน การถ่ายภาพที่ต่ำกว่าขีดจำกัดทางแสงในกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสง (ความยาวคลื่นต่ำกว่าระดับที่มองเห็นได้) สามารถออกแบบได้สำหรับระดับเซลล์ และในทางทฤษฎีคือระดับนาโนเมตร

ตัวอย่างเช่น ในปี 2550 ได้มีการสาธิตเทคนิคที่ ใช้เลนส์ เมตามา เทเรียล ร่วมกับเลนส์ออปติคอลทั่วไปในการควบคุมแสงที่มองเห็นได้เพื่อดูรูปแบบ ( ระดับนาโน ) ที่เล็กเกินกว่าจะสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ออปติคอลทั่วไป เทคนิคนี้มีศักยภาพในการประยุกต์ใช้ไม่เพียงแต่สำหรับการสังเกตเซลล์ที่มีชีวิตทั้งหมด หรือการสังเกตกระบวนการของเซลล์เช่น การเคลื่อนที่ของ โปรตีนและไขมันเข้าและออกจากเซลล์เท่านั้น ใน ด้าน เทคโนโลยี เทคนิค นี้ สามารถนำไปใช้เพื่อปรับปรุงขั้นตอนแรกของโฟโตลิโทกราฟีและนาโนลิโทกราฟีซึ่งจำเป็นสำหรับการผลิตชิปคอมพิวเตอร์ที่ มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ ^{[ 4 ] [ 11 ]}

การโฟกัสที่ความยาวคลื่นย่อยได้กลายเป็น เทคนิค การถ่ายภาพ ที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งช่วยให้สามารถมองเห็นคุณลักษณะบนวัตถุที่มองเห็นซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของโฟตอนที่ใช้ โฟตอนเป็นหน่วยที่เล็กที่สุดของแสง แม้ว่าก่อนหน้านี้จะคิดว่าเป็นไปไม่ได้ทางกายภาพ แต่การถ่ายภาพที่ความยาวคลื่นย่อยก็เป็นไปได้แล้วผ่านการพัฒนาวัสดุเมตา โดยทั่วไปแล้วจะทำโดยใช้ชั้นโลหะ เช่นทองหรือเงินที่มีความหนาเพียงไม่กี่อะตอม ซึ่งทำหน้าที่เป็นเลนส์พิเศษ หรือโดยใช้ผลึกโฟตอนิก 1 มิติและ 2 มิติ ^{[ 12 ] [ 13 ]}มีปฏิสัมพันธ์ที่ละเอียดอ่อนระหว่างคลื่นที่แพร่กระจาย คลื่นเอวาเนสเซนต์ การถ่ายภาพสนามใกล้ และการถ่ายภาพสนามไกล ซึ่งจะกล่าวถึงในส่วนต่อไป^{[ 4 ] [ 14 ]}

เลนส์เมตามาเทเรียล ( ซูเปอร์เลนส์ ) สามารถสร้างภาพขนาดนาโนเมตรขึ้นใหม่ได้โดยการสร้างดัชนีหักเหเชิงลบในแต่ละกรณี ซึ่งเป็นการชดเชยคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่สลายตัวอย่างรวดเร็ว ก่อนที่จะมีเมตามาเทเรียล มีเทคนิคอื่นๆ อีกมากมายที่ได้รับการเสนอและสาธิตเพื่อสร้างกล้องจุลทรรศน์ความละเอียดสูง ย้อนกลับไปในปี 1928 นักฟิสิกส์ชาวไอริชEdward Hutchinson Syngeได้รับเครดิตว่าเป็นผู้คิดค้นและพัฒนาแนวคิดสำหรับสิ่งที่จะกลายเป็นกล้องจุลทรรศน์แสงแบบสแกนสนามใกล้ ในที่สุด ^{[ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]}

ในปี พ.ศ. 2517 ได้มีการนำเสนอข้อเสนอสำหรับเทคนิคการผลิต แบบสอง มิติ ข้อเสนอเหล่านี้รวมถึง การสร้างภาพสัมผัสเพื่อสร้างรูปแบบนูน โฟโตลิโทกราฟี ลิโทกรา ฟีด้วยลำแสงอิเล็กตรอน ลิ โทกราฟีด้วย รังสีเอ็กซ์หรือ การระดมยิงด้วย ไอออนบนพื้นผิวระนาบ ที่เหมาะสม ^{[ 18 ]}เป้าหมายทางเทคโนโลยีร่วมกันของเลนส์เมตามาเทเรียลและลิโทกราฟี ที่หลากหลาย มีจุดมุ่งหมายเพื่อแยกแยะคุณลักษณะที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นสุญญากาศของแสงที่ฉายแสงมาก^{[ 19 ] [ 20 ]}ในปี พ.ศ. 2524 ได้มีการสาธิตเทคนิคการสร้างภาพสัมผัสสองแบบที่แตกต่างกันของรูปแบบโลหะขนาดเล็กระดับไมโครสโคปิกแบบระนาบ (แบน) ด้วยแสงสีน้ำเงิน (400 นาโนเมตร ) การสาธิตหนึ่งส่งผลให้ได้ความละเอียดของภาพ 100 นาโนเมตร และอีกการสาธิตหนึ่งได้ความละเอียด 50 ถึง 70 นาโนเมตร^{[ 20 ]}

ในปี พ.ศ. 2538 จอห์น เกอร์ราได้รวมตะแกรงโปร่งใสที่มีเส้นและช่องว่างขนาด 50 นาโนเมตร ("เมตามาเทเรียล") เข้ากับเลนส์วัตถุแบบจุ่มของกล้องจุลทรรศน์ทั่วไป "ซูเปอร์เลนส์" ที่ได้นั้นสามารถแยกแยะตัวอย่างซิลิคอนที่มีเส้นและช่องว่างขนาด 50 นาโนเมตรได้เช่นกัน ซึ่งเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแบบคลาสสิกที่กำหนดโดยแสงส่องสว่างที่มีความยาวคลื่น 650 นาโนเมตรในอากาศ^{[ 21 ]}

นับตั้งแต่ปี 1998 เป็นต้นมา การพิมพ์หินด้วยแสงแบบใกล้สนามได้รับการออกแบบเพื่อสร้างคุณสมบัติขนาดนาโนเมตร การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีนี้ยังคงดำเนินต่อไปจนกระทั่ง วัสดุเมตาที่มีดัชนีหักเหเชิงลบที่ได้รับการสาธิต ในเชิงทดลอง เป็นครั้งแรก เกิดขึ้นในปี 2000–2001 ประสิทธิภาพของการพิมพ์หินด้วยลำแสงอิเล็กตรอนก็ได้รับการวิจัยในช่วงต้นของสหัสวรรษใหม่สำหรับการใช้งานขนาดนาโนเมตรการพิมพ์หินแบบอิมพรินต์แสดงให้เห็นถึงข้อดีที่น่าสนใจสำหรับการวิจัยและเทคโนโลยีขนาดนาโนเมตร^{[ 19 ] [ 22 ]}

ปัจจุบันเทคโนโลยีโฟโตลิโทกราฟี UV ขั้นสูงสามารถให้ความละเอียดต่ำกว่า 100 นาโนเมตรได้แล้ว แต่ขนาดคุณสมบัติขั้นต่ำและระยะห่างระหว่างลวดลายจะถูกกำหนดโดยขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสง เทคโนโลยีที่พัฒนาต่อยอดจากเทคโนโลยีนี้ เช่น ลิโทกราฟีสนามใกล้แบบเอวาเนส เซนต์ ลิโทกราฟี การรบกวน สนามใกล้ และลิโทกราฟีหน้ากากเปลี่ยนเฟส ได้รับการพัฒนาขึ้นเพื่อเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบน^{[ 19 ]}

ในปี พ.ศ. 2543 จอห์น เพนดรี เสนอให้ใช้เลนส์เมตามาเทเรียลเพื่อสร้างภาพขนาดนาโนเมตรสำหรับการโฟกัสที่ต่ำกว่าความยาวคลื่นของแสง^{[ 1 ] [ 23 ]}

ปัญหาดั้งเดิมของเลนส์ที่สมบูรณ์แบบ: การขยายตัวทั่วไปของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่ออกมาจากแหล่งกำเนิดประกอบด้วยทั้งคลื่นที่แพร่กระจายและคลื่นสนามใกล้หรือคลื่นเอวาเนสเซนต์ ตัวอย่างของแหล่งกำเนิดเส้น 2 มิติที่มีสนามไฟฟ้าซึ่งมีโพลาไรเซชันแบบ S จะมีคลื่นระนาบที่ประกอบด้วยส่วนประกอบที่แพร่กระจายและส่วนประกอบเอวาเนสเซนต์ ซึ่งเคลื่อนที่ขนานกับส่วนต่อประสาน^{[ 24 ]}เนื่องจากทั้งคลื่นที่แพร่กระจายและคลื่นเอวาเนสเซนต์ขนาดเล็กเคลื่อนที่ไปในทิศทางขนานกับส่วนต่อประสานของตัวกลาง คลื่นเอวาเนสเซนต์จึงสลายตัวไปในทิศทางของการแพร่กระจาย องค์ประกอบทางแสงทั่วไป (ดัชนีบวก) สามารถโฟกัสส่วนประกอบที่แพร่กระจายใหม่ได้ แต่ส่วนประกอบที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งสลายตัวแบบเอกซ์โพเนนเชียลจะสูญหายไปเสมอ ทำให้เกิดข้อจำกัดของการเลี้ยวเบนสำหรับการโฟกัสไปที่ภาพ^{[ 24 ]}

เลนส์พิเศษ (Superlens) คือเลนส์ที่สามารถสร้างภาพในระดับที่เล็กกว่าความยาวคลื่นได้ ทำให้สามารถขยายรังสีในระยะใกล้ได้ เลนส์ทั่วไปมีความละเอียดในระดับหนึ่งความยาวคลื่นเนื่องจากข้อจำกัดของการเลี้ยวเบน ข้อจำกัดนี้ขัดขวางการสร้างภาพวัตถุขนาดเล็กมาก เช่น อะตอมแต่ละตัว ซึ่งมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นของแสงที่มองเห็นได้มาก เลนส์พิเศษสามารถเอาชนะข้อจำกัดของการเลี้ยวเบนได้ ตัวอย่างเช่น เลนส์ตัวแรกที่อธิบายโดย Pendry ซึ่งใช้แผ่นวัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นลบเป็นเลนส์แบนในทางทฤษฎี เลนส์ที่สมบูรณ์แบบจะสามารถโฟกัส ได้อย่างสมบูรณ์แบบ ซึ่งหมายความว่ามันสามารถสร้างสนามแม่เหล็กไฟฟ้าของระนาบแหล่งกำเนิดที่ระนาบภาพ ได้อย่างสมบูรณ์แบบ

ข้อจำกัดด้านประสิทธิภาพของเลนส์ทั่วไปเกิดจากข้อจำกัดของการเลี้ยวเบน ตามที่ Pendry (2000) กล่าวไว้ ข้อจำกัดของการเลี้ยวเบนสามารถเข้าใจได้ดังนี้ พิจารณาวัตถุและเลนส์ที่วางอยู่ตามแกน z ดังนั้นรังสีจากวัตถุจึงเดินทางไปในทิศทาง +z สนามที่แผ่ออกมาจากวัตถุสามารถเขียนได้ในรูปของวิธีการสเปกตรัมเชิงมุมซึ่งเป็นการซ้อนทับของคลื่นระนาบ :

${\displaystyle E(x,y,z,t)=\sum _{k_{x},k_{y}}A(k_{x},k_{y})e^{i\left(k_{z}z+k_{y}y+k_{x}x-\omega t\right)},}$

โดยที่เป็นฟังก์ชันของ: ${\displaystyle k_{z}}$${\displaystyle k_{x},k_{y}}$

${\displaystyle k_{z}={\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.}$

เฉพาะรากที่สองที่เป็นบวกเท่านั้นที่ถูกนำมาใช้ เนื่องจากพลังงานเคลื่อนที่ไปในทิศทาง + zส่วนประกอบทั้งหมดของสเปกตรัมเชิงมุมของภาพซึ่งเป็นค่าจริงจะถูกส่งผ่านและโฟกัสใหม่โดยเลนส์ธรรมดา อย่างไรก็ตาม ถ้า ${\displaystyle k_{z}}$

${\displaystyle k_{x}^{2}+k_{y}^{2}>{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}},}$

จากนั้นจะกลายเป็นจินตนาการ และคลื่นจะเป็นคลื่นที่ ลด ทอนลงเรื่อยๆ โดยที่แอมพลิจูดจะลดลงเมื่อคลื่นเคลื่อนที่ไปตาม แกน zส่งผลให้ ส่วนประกอบ ความถี่เชิงมุม สูง ของคลื่นซึ่งมีข้อมูลเกี่ยวกับคุณลักษณะความถี่สูง (ขนาดเล็ก) ของวัตถุที่กำลังถ่ายภาพนั้นหายไป ความละเอียดสูงสุดที่สามารถทำได้สามารถแสดงได้ในรูปของความยาวคลื่น: ${\displaystyle k_{z}}$

${\displaystyle k_{\text{max}}\approx {\frac {\omega }{c}}={\frac {2\pi }{\lambda }},}$

${\displaystyle \Delta x_{\text{min}}\approx \lambda .}$

เลนส์พิเศษสามารถเอาชนะข้อจำกัดนี้ได้ เลนส์พิเศษชนิดเพนดรีมีดัชนีหักเหn =−1 (ε=−1, μ=−1) และในวัสดุดังกล่าว การส่งผ่านพลังงานในทิศทาง + zจำเป็นต้องให้ ส่วนประกอบ zของเวกเตอร์คลื่นมีเครื่องหมายตรงข้าม:

${\displaystyle k'_{z}=-{\sqrt {{\frac {\omega ^{2}}{c^{2}}}-\left(k_{x}^{2}+k_{y}^{2}\right)}}.}$

สำหรับความถี่เชิงมุมขนาดใหญ่ คลื่นเอวาเนสเซนต์จะเติบโตขึ้นดังนั้นด้วยความหนาของเลนส์ที่เหมาะสม ส่วนประกอบทั้งหมดของสเปกตรัมเชิงมุมสามารถส่งผ่านเลนส์ได้โดยไม่บิดเบือน ไม่มีปัญหาเรื่องการอนุรักษ์พลังงานเนื่องจากคลื่นเอวาเนสเซนต์ไม่มีพลังงานในทิศทางการเติบโตเวกเตอร์ Poyntingจะตั้งฉากกับทิศทางการเติบโต สำหรับคลื่นเดินทางภายในเลนส์ที่สมบูรณ์แบบ เวกเตอร์ Poynting จะชี้ไปในทิศทางตรงกันข้ามกับความเร็วเฟส^{[ 3 ]}

โดยปกติแล้ว เมื่อคลื่นผ่านรอยต่อของวัสดุสองชนิด คลื่นจะปรากฏที่ด้านตรงข้ามของเส้นตั้งฉากอย่างไรก็ตาม หากรอยต่ออยู่ระหว่างวัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นบวกกับวัสดุอีกชนิดหนึ่งที่มีดัชนีหักเหเป็นลบ คลื่นจะปรากฏที่ด้านเดียวกันของเส้นตั้งฉาก แนวคิดของ Pendry เกี่ยวกับเลนส์ที่สมบูรณ์แบบคือวัสดุแบนราบที่n = −1 เลนส์ดังกล่าวช่วยให้รังสีใกล้สนาม ซึ่งโดยปกติจะลดลงเนื่องจากขีดจำกัดการเลี้ยวเบน สามารถโฟกัสได้ครั้งหนึ่งภายในเลนส์และอีกครั้งภายนอกเลนส์ ทำให้สามารถสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าความยาวคลื่นได้^{[ 25 ]}

การสร้างซูเปอร์เลนส์เคยถูกมองว่าเป็นไปไม่ได้ ในปี 2000 เพนดรีอ้างว่าแผ่นวัสดุแบบซ้ายมือ ธรรมดาๆ ก็สามารถทำได้^{[ 26 ]}อย่างไรก็ตาม การสร้างเลนส์ดังกล่าวในทางปฏิบัติต้องใช้เวลาอีกระยะหนึ่ง เนื่องจากไม่ใช่เรื่องง่ายที่จะสร้างเมตาวัสดุที่มีทั้งค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและสภาพซึมผ่านทางแม่เหล็ก เป็นลบ อันที่จริง ไม่มีวัสดุดังกล่าวเกิดขึ้นตามธรรมชาติ และการสร้างเมตาวัสดุที่จำเป็นนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย ยิ่งไปกว่านั้น ยังแสดงให้เห็นว่าพารามิเตอร์ของวัสดุมีความไวสูงมาก (ดัชนีต้องเท่ากับ −1) การเบี่ยงเบนเล็กน้อยทำให้ไม่สามารถสังเกตความละเอียดระดับต่ำกว่าความยาวคลื่นได้^{[ 27 ] [ 28 ]}เนื่องจากลักษณะการสั่นพ้องของเมตาวัสดุ ซึ่งการใช้งานซูเปอร์เลนส์ (ที่เสนอ) หลายอย่างขึ้นอยู่กับ เมตาวัสดุจึงมีการกระจายตัวสูง ลักษณะที่ไวต่อพารามิเตอร์ของวัสดุของซูเปอร์เลนส์ทำให้ซูเปอร์เลนส์ที่ใช้เมตาวัสดุมีช่วงความถี่ที่ใช้งานได้จำกัด การออกแบบซูเปอร์เลนส์เชิงทฤษฎีเบื้องต้นนี้ประกอบด้วยเมตาแมทเทอเรียลที่ชดเชยการลดทอนของคลื่นและสร้างภาพขึ้นใหม่ในสนามใกล้ ทั้งคลื่นที่แพร่กระจายและคลื่นที่ลดทอนสามารถมีส่วนช่วยในการปรับความละเอียดของภาพได้^{[ 1 ] [ 23 ] [ 29 ]}

นอกจากนี้ Pendry ยังแนะนำว่าเลนส์ที่มีพารามิเตอร์เชิงลบเพียงตัวเดียวจะก่อให้เกิดซูเปอร์เลนส์โดยประมาณ โดยมีเงื่อนไขว่าระยะทางที่เกี่ยวข้องมีขนาดเล็กมาก และมีการโพลาไรเซชันของแหล่งกำเนิดแสงที่เหมาะสม สำหรับแสงที่มองเห็นได้ นี่เป็นสิ่งทดแทนที่มีประโยชน์ เนื่องจากเป็นการยากที่จะสร้างเมตาวัสดุที่มีค่าการซึมผ่านเชิงลบที่ความถี่ของแสงที่มองเห็นได้ โลหะจึงเป็นทางเลือกที่ดี เนื่องจากมีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าเชิงลบ (แต่ไม่มีค่าการซึมผ่านเชิงลบ) Pendry แนะนำให้ใช้เงินเนื่องจากมีการสูญเสียค่อนข้างต่ำที่ความยาวคลื่นการทำงานที่คาดการณ์ไว้ (356 นาโนเมตร) ในปี 2546 ทฤษฎีของ Pendry ได้รับการสาธิตเชิงทดลองเป็นครั้งแรก^{[ 13 ]}ที่ความถี่ RF/ไมโครเวฟ ในปี 2548 กลุ่มอิสระสองกลุ่มได้ตรวจสอบเลนส์ของ Pendry ในช่วง UV โดยทั้งสองกลุ่มใช้ชั้นเงินบางๆ ที่ส่องสว่างด้วยแสง UV เพื่อสร้าง "ภาพถ่าย" ของวัตถุที่มีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น^{[ 30 ] [ 31 ]}การหักเหเชิงลบของแสงที่มองเห็นได้ได้รับการยืนยันจากการทดลองใน ผลึกคู่ ของอิตเทรียมออร์โธวาเนเดต (YVO ₄ ) ในปี 2546 ^{[ 32 ]}

พบว่าการออกแบบซูเปอร์เลนส์แบบง่ายสำหรับไมโครเวฟสามารถใช้อาร์เรย์ของลวดตัวนำขนานได้ ^{[ 33 ]}โครงสร้างนี้แสดงให้เห็นว่าสามารถปรับปรุงความละเอียดของภาพ MRI ได้

ในปี 2547 เลนส์พิเศษตัวแรกที่มีดัชนีหักเหเป็นลบให้ความละเอียดดีกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนถึงสามเท่า และได้รับการสาธิตที่ความถี่ไมโครเวฟ^{[ 34 ]}ในปี 2548 N.Fang และคณะได้สาธิตเลนส์พิเศษแบบใกล้สนาม ตัวแรก แต่เลนส์ไม่ได้อาศัยการหักเหเป็นลบแต่ใช้ฟิล์มเงินบางๆ เพื่อเพิ่มโหมดเอวาเนสเซนต์ผ่านการเชื่อมต่อพลาสมอนบนพื้นผิว^{[ 35 ] [ 36 ]}ในเวลาเดียวกันนั้น Melville และBlaikieก็ประสบความสำเร็จกับเลนส์พิเศษแบบใกล้สนาม กลุ่มอื่นๆ ก็ได้ดำเนินการตามมา^{[ 30 ] [ 37 ]}มีการรายงานการพัฒนาสองอย่างในการวิจัยเลนส์พิเศษในปี 2551 ^{[ 38 ]}ในกรณีที่สอง วัสดุเมตาถูกสร้างขึ้นจากนาโนไวร์เงินซึ่งถูกตกตะกอนด้วยไฟฟ้าในอะลูมิเนียมออกไซด์ที่มีรูพรุน วัสดุนี้แสดงการหักเหเป็นลบ^{[ 39 ]}ประสิทธิภาพการสร้างภาพของเลนส์แผ่นที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเชิงลบแบบไอโซโทรปิกดังกล่าวได้รับการวิเคราะห์โดยคำนึงถึงวัสดุและความหนาของแผ่นด้วย^{[ 40 ]}โอกาสในการสร้างภาพระดับความยาวคลื่นย่อยด้วยเลนส์ระนาบแบบแกนเดียวที่ไม่เป็นไอโซโทรปิก ซึ่งส่วนประกอบของเทนเซอร์ไดอิเล็กตริกมีเครื่องหมายตรงข้ามกัน ได้รับการศึกษาเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์โครงสร้างด้วย^{[ 41 ]}

ซูเปอร์เลนส์ยังไม่ได้รับการสาธิตที่ความถี่แสง ที่มองเห็นได้หรือใกล้ อินฟราเรด^{[ 35 ]}ยิ่งไปกว่านั้น เนื่องจากเป็นวัสดุที่กระจายแสง จึงจำกัดการทำงานที่ความยาวคลื่นเดียวเท่านั้น วิธีแก้ปัญหาที่เสนอคือวัสดุผสมโลหะ-ไดอิเล็กทริก (MDCs) ^{[ 42 ]}และโครงสร้างเลนส์หลายชั้น^{[ 43 ]}ซูเปอร์เลนส์หลายชั้นดูเหมือนจะมีความละเอียดระดับต่ำกว่าความยาวคลื่นที่ดีกว่าซูเปอร์เลนส์ชั้นเดียว การสูญเสียเป็นปัญหาที่น้อยกว่าในระบบหลายชั้น แต่จนถึงขณะนี้ดูเหมือนว่าจะไม่สามารถนำไปใช้ได้จริงเนื่องจาก การไม่ตรงกัน ของอิมพีแดนซ์^{[ 35 ]}

ในขณะที่วิวัฒนาการของเทคนิคการผลิตระดับนาโนยังคงผลักดันขีดจำกัดในการผลิตโครงสร้างระดับนาโน ความหยาบของพื้นผิวยังคงเป็นแหล่งที่มาของความกังวลที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ในการออกแบบอุปกรณ์นาโนโฟโตนิกส์ ผลกระทบของความหยาบของพื้นผิวนี้ต่อค่าคงที่ไดอิเล็กตริกที่มีประสิทธิภาพและความละเอียดของภาพระดับซับเวฟเลงท์ของเลนส์โลหะ-ฉนวนแบบหลายชั้นก็ได้รับการศึกษาเช่นกัน ^{[ 44 ]}

เลนส์โฟกัสเมตาเซอร์เฟซแบบไดอิเล็กทริกทั้งหมดที่มีความยาวคลื่นย่อยซึ่งทำงานในย่านอินฟราเรดใกล้ได้รับการสาธิตโดยกลุ่ม Shalaev ร่วมกับทีมRaytheon ^{[ 45 ]}ปัจจุบันเลนส์นี้ถูกนำไปใช้ในผลิตภัณฑ์ระบบป้องกันของ Raytheon

เมื่อมองโลกผ่านเลนส์ทั่วไป ความคมชัดของภาพจะถูกกำหนดและจำกัดโดยความยาวคลื่นของแสง ประมาณปี 2000 มีทฤษฎีเกี่ยวกับแผ่นเมตามาเทเรียลที่มีดัชนีหักเหเป็นลบเพื่อสร้างเลนส์ที่มีความสามารถเหนือกว่าเลนส์ทั่วไป ( ดัชนีหักเหเป็นบวก ) เพนดรีเสนอว่าแผ่นเมตามาเทเรียลที่มีการหักเหเป็นลบบางๆ อาจเอาชนะปัญหาที่ทราบกันดีของเลนส์ทั่วไปเพื่อให้ได้เลนส์ที่ "สมบูรณ์แบบ" ซึ่งสามารถโฟกัสสเปกตรัมทั้งหมด ทั้งสเปกตรัมที่แพร่กระจายและสเปกตรัมที่จางหายไป^{[ 1 ] [ 46 ]}

แผ่นเงินถูกเสนอให้เป็นเมตามาเทเรียล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ฟิล์มบางๆ ของเงินดังกล่าวสามารถถือได้ว่าเป็นเมตาเซอร์เฟซเมื่อแสงเคลื่อนที่ออกไป (แพร่กระจาย) จากแหล่งกำเนิด มันจะได้รับเฟส ที่ไม่แน่นอน ผ่านเลนส์ทั่วไป เฟสยังคงสม่ำเสมอ แต่คลื่นเอวาเนสเซนต์จะลดลงแบบเอกซ์ โพเนนเชียล ใน แผ่น เมตามาเทเรียล DNG แบบแบน คลื่นเอวาเนสเซนต์ที่ปกติจะลดลงกลับถูกขยาย ให้ใหญ่ขึ้น นอกจากนี้ เนื่องจากคลื่นเอวาเนสเซนต์ถูกขยายให้ใหญ่ขึ้น เฟสจึงกลับทิศทาง^{[ 1 ]}

ดังนั้น จึงมีการเสนอเลนส์ชนิดหนึ่งซึ่งประกอบด้วยเมตาแมทเทอเรียลฟิล์มโลหะ เมื่อได้รับแสงใกล้ความถี่พลาสมาเลนส์นี้สามารถใช้สำหรับ การสร้างภาพ ความละเอียดสูงพิเศษที่ชดเชยการลดทอนของคลื่นและสร้างภาพขึ้นใหม่ในระยะใกล้ นอกจากนี้ ทั้งคลื่นที่แพร่กระจายและคลื่นเอวาเนสเซนต์ยังช่วยเพิ่มความละเอียดของภาพอีกด้วย^{[ 1 ]}

Pendry แนะนำว่าแผ่นวัสดุแบบมือซ้ายช่วยให้ "การสร้างภาพที่สมบูรณ์แบบ" ได้หากไม่มีการสูญเสียอย่างสมบูรณ์มีการจับคู่ความต้านทานและมีดัชนีหักเหเป็น −1 เมื่อเทียบกับตัวกลางโดยรอบ ในทางทฤษฎี นี่จะเป็นความก้าวหน้าครั้งสำคัญ เนื่องจากเวอร์ชันทางแสงสามารถแยกแยะวัตถุที่มีขนาดเล็กมากระดับนาโนเมตรได้ Pendry คาดการณ์ว่าเมตาวัสดุแบบลบสองชั้น (DNG) ที่มีดัชนีหักเหn=−1สามารถทำหน้าที่เป็น "เลนส์ที่สมบูรณ์แบบ" ได้อย่างน้อยในทางทฤษฎี ทำให้ความละเอียดในการสร้างภาพไม่ถูกจำกัดด้วยความยาวคลื่น แต่ถูกจำกัดด้วยคุณภาพของวัสดุ^{[ 1 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]}

การวิจัยเพิ่มเติมแสดงให้เห็นว่าทฤษฎีของ Pendry เกี่ยวกับเลนส์ที่สมบูรณ์แบบนั้นไม่ถูกต้องเสียทีเดียว การวิเคราะห์การโฟกัสของสเปกตรัมเอวาเนสเซนต์ (สมการ 13–21 ในเอกสารอ้างอิง^{[ 1 ]} ) นั้นมีข้อบกพร่อง นอกจากนี้ ยังใช้ได้กับกรณี (ทางทฤษฎี) เพียงกรณีเดียวเท่านั้น และนั่นคือสื่อเฉพาะที่ไม่มีการสูญเสีย ไม่มีการกระจาย และพารามิเตอร์องค์ประกอบถูกกำหนดดังนี้: ^{[ 46 ]}

ε(ω) / ε ₀ =μ(ω) / μ ₀ =−1 ซึ่งจะส่งผลให้มีการหักเหเป็นลบ n=−1

อย่างไรก็ตาม ผลลัพธ์เชิงสัญชาตญาณสุดท้ายของทฤษฎีนี้ที่ว่าทั้งคลื่นที่แพร่กระจายและคลื่นที่จางหายไปจะถูกโฟกัส ส่งผลให้เกิดจุดโฟกัส ที่บรรจบกัน ภายในแผ่น และจุดบรรจบกันอีกจุดหนึ่ง (จุดโฟกัส) นอกแผ่นนั้น ปรากฏว่าถูกต้อง^{[ 46 ]}

หาก ตัวกลางเมตามาเทเรียล DNG มีดัชนีหักเหเป็นลบมาก หรือมีการสูญเสียหรือกระจายตัว ผลของเลนส์ที่สมบูรณ์แบบของ Pendry จะไม่สามารถเกิดขึ้นได้ ส่งผลให้ผลของเลนส์ที่สมบูรณ์แบบไม่มีอยู่จริงโดยทั่วไป จากการจำลอง FDTDในขณะนั้น (2001) แผ่น DNG ทำหน้าที่เหมือนตัวแปลงจากคลื่นทรงกระบอกแบบพัลส์เป็นลำแสงแบบพัลส์ ยิ่งไปกว่านั้น ในความเป็นจริง (ในทางปฏิบัติ) ตัวกลาง DNG จะต้องมีการกระจายตัวและสูญเสีย ซึ่งอาจมีผลที่พึงประสงค์หรือไม่พึงประสงค์ก็ได้ ขึ้นอยู่กับการวิจัยหรือการใช้งาน ดังนั้น ผลของเลนส์ที่สมบูรณ์แบบของ Pendry จึงไม่สามารถเข้าถึงได้ด้วยเมตามาเทเรียลใดๆ ที่ออกแบบมาให้เป็นตัวกลาง DNG ^{[ 46 ]}

การวิเคราะห์อีกครั้งในปี พ.ศ. 2545 ^{[ 24 ]} ของ แนวคิดเลนส์ที่สมบูรณ์แบบแสดงให้เห็นว่ามีข้อผิดพลาดเมื่อใช้ DNG ที่ไม่มีการสูญเสียและไม่มีการกระจายตัวเป็นหัวข้อ การวิเคราะห์นี้แสดงให้เห็นทางคณิตศาสตร์ว่าความละเอียดอ่อนของคลื่นเอวาเนสเซนต์ ข้อจำกัดของ แผ่นที่ มีขอบเขตจำกัดและการดูดซับนำไปสู่ความไม่สอดคล้องกันและความแตกต่างที่ขัดแย้งกับคุณสมบัติทางคณิตศาสตร์พื้นฐานของสนามคลื่นกระเจิง ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์นี้ระบุว่าการดูดซับซึ่งเชื่อมโยงกับการกระจายตัว มักเกิดขึ้นในทางปฏิบัติ และการดูดซับมีแนวโน้มที่จะเปลี่ยนคลื่นที่ขยายให้กลายเป็นคลื่นที่สลายตัวภายในตัวกลางนี้ (DNG) ^{[ 24 ]}

การวิเคราะห์ครั้งที่สามของแนวคิดเลนส์ที่สมบูรณ์แบบของ Pendry ซึ่งตีพิมพ์ในปี 2546 ^{[ 50 ]}ใช้การสาธิตการหักเหเชิงลบที่ความถี่ไมโครเวฟเมื่อเร็ว ๆ นี้^{[ 51 ]}เป็นการยืนยันความเป็นไปได้ของแนวคิดพื้นฐานของเลนส์ที่สมบูรณ์แบบ นอกจากนี้ การสาธิตนี้ยังถือเป็นหลักฐาน เชิงทดลอง ว่าวัสดุเมตา DNG แบบระนาบจะโฟกัสรังสีสนามไกลของแหล่งกำเนิดจุด อย่างไรก็ตาม เลนส์ที่สมบูรณ์แบบจะต้องใช้ค่าความสามารถในการซึมผ่าน ความสามารถในการซึมผ่าน และคาบเชิงพื้นที่ ที่แตกต่างกันอย่างมาก จากตัวอย่างการหักเหเชิงลบที่สาธิต^{[ 50 ] [ 51 ]}

การศึกษานี้เห็นด้วยว่าการเบี่ยงเบนใดๆ จากเงื่อนไขที่ ε=μ=−1 ส่งผลให้เกิดภาพปกติทั่วไปที่ไม่สมบูรณ์แบบซึ่งเสื่อมคุณภาพแบบเอกซ์โปเนนเชียล กล่าวคือ ขีดจำกัดการเลี้ยวเบน การแก้ปัญหาเลนส์ที่สมบูรณ์แบบโดยปราศจากการสูญเสียนั้นไม่สามารถทำได้จริง และอาจนำไปสู่การตีความที่ขัดแย้งกันได้^{[ 24 ]}

พบว่าแม้ว่าพลาสมอนพื้นผิวแบบเรโซแนนซ์จะไม่เป็นที่ต้องการสำหรับการสร้างภาพ แต่กลับกลายเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการกู้คืนคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่สลายตัว การวิเคราะห์นี้ค้นพบว่าความเป็นคาบของเมตามาเทเรียลมีผลอย่างมากต่อการกู้คืนส่วนประกอบเอวาเนสเซนต์ประเภทต่างๆ นอกจากนี้ การบรรลุความละเอียดระดับต่ำกว่าความยาวคลื่นสามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน ดัชนีหักเหเชิงลบได้รับการแสดงให้เห็นในเมตามาเทเรียลที่มีโครงสร้าง วัสดุดังกล่าวสามารถออกแบบให้มีพารามิเตอร์วัสดุที่ปรับได้ และบรรลุเงื่อนไขที่เหมาะสมที่สุด การสูญเสียจนถึงความถี่ไมโครเวฟสามารถลดลงได้ในโครงสร้างที่ใช้ องค์ประกอบ ตัวนำยิ่งยวดยิ่งไปกว่านั้น การพิจารณาโครงสร้างทางเลือกอาจนำไปสู่การกำหนดค่าของวัสดุแบบซ้ายมือที่สามารถบรรลุการโฟกัสระดับต่ำกว่าความยาวคลื่น โครงสร้างดังกล่าวอยู่ระหว่างการศึกษาในขณะนั้น^{[ 24 ]}

แนวทางที่มีประสิทธิภาพสำหรับการชดเชยการสูญเสียในเมตามาเทเรียลที่เรียกว่า แผนการฉีดพลาสมอน ได้รับการเสนอเมื่อเร็ว ๆ นี้^{[ 52 ]}แผนการฉีดพลาสมอนได้รับการประยุกต์ใช้ในทางทฤษฎีกับเลนส์แบนดัชนีลบที่ไม่สมบูรณ์ที่มีการสูญเสียวัสดุที่สมเหตุสมผลและมีสัญญาณรบกวน^{[ 53 ] [ 54 ]}เช่นเดียวกับไฮเปอร์เลนส์^{[ 55 ]}ได้มีการแสดงให้เห็นว่าแม้แต่เลนส์แบนดัชนีลบที่ไม่สมบูรณ์ที่ได้รับความช่วยเหลือจากแผนการฉีดพลาสมอนก็สามารถทำให้การถ่ายภาพวัตถุที่มีความละเอียดสูงกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ซึ่งเป็นไปไม่ได้หากไม่มีแผนการนี้เนื่องจากการสูญเสียและสัญญาณรบกวน แม้ว่าแผนการฉีดพลาสมอนจะถูกคิดค้นขึ้นสำหรับเมตามาเทเรียลพลาสมอนิกในตอนแรก^{[ 52 ]} แต่ แนวคิดนี้เป็นแนวคิดทั่วไปและสามารถนำไปใช้กับโหมดแม่เหล็กไฟฟ้าทุกประเภท แนวคิดหลักของแผนการนี้คือการซ้อนทับกันอย่างสอดคล้องของโหมดที่มีการสูญเสียในเมตามาเทเรียลด้วยสนามเสริมภายนอกที่มีโครงสร้างที่เหมาะสม สนามเสริมนี้อธิบายถึงการสูญเสียในเมตามาเทเรียล ดังนั้นจึงช่วยลดการสูญเสียที่เกิดขึ้นกับลำแสงสัญญาณหรือสนามวัตถุในกรณีของเลนส์เมตามาเทเรียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ แผนการฉีดพลาสมอนสามารถนำไปใช้ได้ทั้งทางกายภาพ^{[ 54 ]}หรือเทียบเท่าผ่านวิธีการประมวลผลภายหลังแบบดีคอนโวลูชัน^{[ 53 ] [ 55 ]}อย่างไรก็ตาม การนำไปใช้ทางกายภาพแสดงให้เห็นว่ามีประสิทธิภาพมากกว่าการดีคอนโวลูชัน การสร้างทางกายภาพของการคอนโวลูชันและการขยายความถี่เชิงพื้นที่แบบเลือกภายในแบนด์วิดท์แคบๆ เป็นกุญแจสำคัญในการนำแผนการฉีดพลาสมอนไปใช้ทางกายภาพ แผนการชดเชยการสูญเสียนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับเลนส์เมตามาเทเรียล เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ตัวกลางขยาย ความไม่เป็นเชิงเส้น หรือปฏิสัมพันธ์ใดๆ กับโฟนอน การสาธิตเชิงทดลองของแผนการฉีดพลาสมอนยังไม่ได้รับการแสดงให้เห็น ส่วนหนึ่งเป็นเพราะทฤษฎียังค่อนข้างใหม่

เลนส์เชิงทฤษฎีของ Pendry ได้รับการออกแบบมาเพื่อโฟกัสทั้งคลื่นที่แพร่กระจายและคลื่นเอวาเนสเซนต์ในระยะใกล้ จากค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า "ε" และค่าสภาพซึมผ่านทางแม่เหล็ก "μ" จะได้ค่าดัชนีหักเห "n" ค่าดัชนีหักเหจะกำหนดว่าแสงจะหักเหอย่างไรเมื่อผ่านจากวัสดุหนึ่งไปยังอีกวัสดุหนึ่ง ในปี 2546 มีการเสนอแนะว่าเมตามาเทเรียลที่สร้างขึ้นด้วยชั้นสลับขนานของ วัสดุ n=−1และ วัสดุ n=+1จะเป็นการออกแบบเลนส์เมตามาเทเรียล ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า มันเป็นตัวกลางที่มีประสิทธิภาพซึ่งประกอบด้วยชั้นซ้อนกันหลายชั้น ซึ่งแสดงการหักเหสองทิศทาง n ₂ =∞, n _x =0 ดัชนีหักเหที่มีประสิทธิภาพจึงตั้งฉากและขนานกันตามลำดับ^{[ 56 ]}

เช่นเดียวกับเลนส์ทั่วไป ทิศทาง z จะอยู่ตามแนวแกนของม้วน ความถี่เรโซแนนซ์ (w ₀ ) – ใกล้เคียงกับ 21.3  MHz – ถูกกำหนดโดยโครงสร้างของม้วน การลดทอนเกิดขึ้นจากความต้านทานโดยธรรมชาติของชั้นต่างๆ และส่วนที่สูญเสียของค่าสภาพยอมทางไฟฟ้า^{[ 56 ]}

กล่าวโดยสรุปคือ เมื่อรูปแบบสนามถูกถ่ายโอนจากด้านอินพุตไปยังด้านเอาต์พุตของแผ่น ข้อมูลภาพก็จะถูกส่งผ่านแต่ละชั้นเช่นกัน ซึ่งได้รับการสาธิตในเชิงทดลองแล้ว เพื่อทดสอบประสิทธิภาพการสร้างภาพสองมิติของวัสดุ จึงได้สร้างเสาอากาศขึ้นจากลวดคู่ขนานในรูปทรงตัวอักษร M ซึ่งสร้างเส้นฟลักซ์แม่เหล็ก จึงให้รูปแบบสนามลักษณะเฉพาะสำหรับการสร้างภาพ เสาอากาศถูกวางในแนวนอน และวัสดุซึ่งประกอบด้วยม้วนสวิส 271 ม้วน ที่ปรับจูนไว้ที่ 21.5 MHz ถูกวางไว้ด้านบน วัสดุนี้ทำหน้าที่เป็นอุปกรณ์ถ่ายโอนภาพสำหรับสนามแม่เหล็กได้จริง รูปทรงของเสาอากาศถูกสร้างซ้ำอย่างแม่นยำในระนาบเอาต์พุต ทั้งในการกระจายความเข้มสูงสุด และใน "หุบเขา" ที่ล้อมรอบตัวอักษร M ^{[ 56 ]}

ลักษณะที่สอดคล้องกันของสนามที่อยู่ใกล้มาก (สนามระเหย) คือสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กแยกออกจากกันเป็นส่วนใหญ่ ซึ่งทำให้สามารถควบคุมสนามไฟฟ้าด้วยค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กด้วยค่าสภาพซึมผ่านทางแม่เหล็กได้อย่างเกือบเป็นอิสระ^{[ 56 ]}

นอกจากนี้ระบบนี้ยังมีความไม่เป็นเนื้อเดียวกัน สูงมาก ดังนั้น ส่วนประกอบตามขวาง (ตั้งฉาก) ของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าที่แผ่รังสีจากวัสดุ ซึ่งก็คือส่วนประกอบเวกเตอร์คลื่น k _xและ k _yจะถูกแยกออกจากส่วนประกอบตามยาว k _zดังนั้น รูปแบบสนามจึงควรถูกถ่ายโอนจากด้านอินพุตไปยังด้านเอาต์พุตของแผ่นวัสดุโดยไม่ทำให้ข้อมูลภาพเสื่อมลง^{[ 56 ]}

ในปี พ.ศ. 2546 กลุ่มนักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าคลื่นเอวาเนสเซนต์ทางแสงจะได้รับการเพิ่มประสิทธิภาพเมื่อผ่านเลนส์เมตามาเทเรียลสีเงิน ซึ่งเรียกว่าเลนส์ไร้การเลี้ยวเบน แม้ว่า จะไม่ได้ตั้งใจหรือบรรลุผลในการสร้างภาพ ที่สอดคล้องกันและมีความละเอียดสูง แต่ก็มีการสาธิตการสร้างสนามเอวาเนสเซนต์ขึ้นใหม่ในเชิงทดลอง^{[ 57 ] [ 58 ]}

ในปี 2003 เป็นที่ทราบกันมานานหลายทศวรรษแล้วว่าคลื่นเอวาเนสเซนต์สามารถเพิ่มขึ้นได้โดยการสร้างสถานะกระตุ้นที่ พื้นผิวส่วน ต่อประสานอย่างไรก็ตาม การใช้พลาสมอนพื้นผิวเพื่อสร้างส่วนประกอบเอวาเนสเซนต์ขึ้นใหม่ยังไม่เคยมีการทดลองจนกระทั่งข้อเสนอของเพนดรีเมื่อเร็ว ๆ นี้ (ดู " เลนส์ที่สมบูรณ์แบบ " ด้านบน) จากการศึกษาฟิล์มที่มีความหนาต่างกัน พบว่าค่าสัมประสิทธิ์การส่งผ่านที่ เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เกิดขึ้นภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม การสาธิตนี้ให้หลักฐานโดยตรงว่าพื้นฐานของซูเปอร์เลนส์มีความแข็งแกร่ง และชี้ให้เห็นถึงแนวทางที่จะทำให้สามารถสังเกตซูเปอร์เลนส์ที่ความยาวคลื่นแสงได้^{[ 58 ]}

ในปี พ.ศ. 2548 ได้มีการสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงที่สอดคล้องกัน (โดยอิงจากผลลัพธ์ในปี พ.ศ. 2546) แผ่นเงินที่บางกว่า (35 นาโนเมตร) เหมาะกว่าสำหรับการสร้างภาพที่มีความละเอียดต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ซึ่งส่งผลให้ความยาวคลื่นของการส่องสว่างลดลงเหลือหนึ่งในหก เลนส์ประเภทนี้ถูกใช้เพื่อชดเชยการลดลงของคลื่นและสร้างภาพขึ้นใหม่ในระยะใกล้ ความพยายามก่อนหน้านี้ในการสร้างซูเปอร์เลนส์ที่ใช้งานได้นั้นใช้แผ่นเงินที่หนาเกินไป^{[ 23 ] [ 47 ]}

วัตถุที่มีขนาดเล็กสุด 40 นาโนเมตรถูกถ่ายภาพ ในปี 2548 ขีดจำกัดความละเอียดในการถ่ายภาพของกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลอยู่ที่ประมาณหนึ่งในสิบของเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์เม็ดเลือดแดงด้วยเลนส์ซุปเปอร์ซิลเวอร์นี้ ทำให้ได้ความละเอียดที่หนึ่งในร้อยของเส้นผ่านศูนย์กลางของเซลล์เม็ดเลือดแดง^{[ 57 ]}

เลนส์ทั่วไป ไม่ว่าจะเป็นเลนส์ที่มนุษย์สร้างขึ้นหรือเลนส์ธรรมชาติ จะสร้างภาพโดยการจับคลื่นแสงที่แพร่กระจายซึ่งวัตถุทุกชนิดปล่อยออกมา แล้วจึงหักเหคลื่นเหล่านั้น มุมของการหักเหจะถูกกำหนดโดยดัชนีการหักเห และมักจะเป็นค่าบวกเสมอจนกระทั่งมีการประดิษฐ์วัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นลบขึ้นมา วัตถุยังปล่อยคลื่นเอวาเนสเซนต์ออกมาซึ่งมีรายละเอียดของวัตถุอยู่ด้วย แต่ไม่สามารถตรวจจับได้ด้วยเลนส์ทั่วไป คลื่นเอวาเนสเซนต์เหล่านี้จะลดลงอย่างรวดเร็วแบบเอกซ์โปเนนเชียล ดังนั้นจึงไม่กลายเป็นส่วนหนึ่งของความละเอียดของภาพ ซึ่งเป็นขีดจำกัดทางแสงที่เรียกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน การเอาชนะขีดจำกัดการเลี้ยวเบนนี้และการจับคลื่นเอวาเนสเซนต์เป็นสิ่งสำคัญในการสร้างภาพที่สมบูรณ์แบบ 100 เปอร์เซ็นต์ของวัตถุ^{[ 23 ]}

นอกจากนี้ วัสดุทางแสงแบบดั้งเดิมยังมีข้อจำกัดด้านการเลี้ยวเบน เนื่องจากมีเพียงส่วนประกอบที่แพร่กระจายเท่านั้นที่ถูกส่งผ่าน (โดยวัสดุทางแสง) จากแหล่งกำเนิดแสง^{[ 23 ]}ส่วนประกอบที่ไม่แพร่กระจาย คือคลื่นเอวาเนสเซนต์ จะไม่ถูกส่งผ่าน^{[ 24 ]}ยิ่งไปกว่านั้น เลนส์ที่ปรับปรุงความละเอียดของภาพโดยการเพิ่มดัชนีการหักเหของแสงนั้นมีข้อจำกัดเนื่องจากวัสดุที่มีดัชนีหักเหสูงยังมีข้อจำกัด และการถ่ายภาพแบบจุดต่อจุดในระดับความยาวคลื่นย่อยของกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนก็มีข้อจำกัดเช่นกันเมื่อเทียบกับศักยภาพของซูเปอร์เลนส์ที่ใช้งานได้ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนและกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมในปัจจุบันใช้ในการจับภาพรายละเอียดลงไปถึงระดับนาโนเมตร อย่างไรก็ตาม กล้องจุลทรรศน์ดังกล่าวสร้างภาพโดยการสแกนวัตถุแบบจุดต่อจุด ซึ่งหมายความว่าโดยทั่วไปแล้วจะจำกัดเฉพาะตัวอย่างที่ไม่มีชีวิต และเวลาในการจับภาพอาจใช้เวลานานถึงหลายนาที^{[ 23 ]}

ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์สามารถมองเห็นโครงสร้างขนาดค่อนข้างใหญ่ภายในเซลล์ได้เท่านั้น เช่น นิวเคลียสและไมโตคอนเดรีย นักวิจัยกล่าวว่า ด้วยซูเปอร์เลนส์ กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงอาจเปิดเผยการเคลื่อนไหวของโปรตีนแต่ละตัวที่เคลื่อนที่ไปตามไมโครทิวบูลซึ่งเป็นโครงสร้างของเซลล์ได้ในอนาคต กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงสามารถจับภาพทั้งเฟรมได้ด้วยการถ่ายภาพเพียงครั้งเดียวในเวลาเพียงเสี้ยววินาที ด้วยซูเปอร์เลนส์นี้ จะเปิดโอกาสให้การถ่ายภาพระดับนาโนกับวัสดุที่มีชีวิต ซึ่งจะช่วยให้นักชีววิทยาเข้าใจโครงสร้างและหน้าที่ของเซลล์ได้ดีขึ้นแบบเรียลไทม์^{[ 23 ]}

ความก้าวหน้าของการเชื่อมต่อแม่เหล็กในย่าน ความถี่ THzและอินฟราเรดทำให้เกิดความเป็นไปได้ของเลนส์ซูเปอร์เมตามาเทเรียล อย่างไรก็ตาม ในสนามใกล้ การตอบสนองทางไฟฟ้าและแม่เหล็กของวัสดุจะแยกออกจากกัน ดังนั้น สำหรับคลื่นแม่เหล็กตามขวาง (TM) จึงจำเป็นต้องพิจารณาเฉพาะค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าเท่านั้น โลหะมีค่าจึงกลายเป็นตัวเลือกที่เหมาะสมสำหรับการสร้างเลนส์ซูเปอร์ เนื่องจากสามารถสร้างค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าที่เป็นลบได้ง่าย^{[ 23 ]}

ด้วยการออกแบบแผ่นโลหะบางเพื่อให้การสั่นของกระแสพื้นผิว (พลาสมอนพื้นผิว) ตรงกับคลื่นเอวาเนสเซนต์จากวัตถุ เลนส์พิเศษจึงสามารถเพิ่มแอมพลิจูดของสนามได้อย่างมาก การเกิดเลนส์พิเศษเป็นผลมาจากการเพิ่มประสิทธิภาพของคลื่นเอวาเนสเซนต์โดยพลาสมอนพื้นผิว^{[ 23 ] [ 57 ]}

หัวใจสำคัญของซูเปอร์เลนส์คือความสามารถในการเพิ่มและกู้คืนคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่บรรจุข้อมูลในระดับเล็กมากได้อย่างมีนัยสำคัญ ซึ่งทำให้สามารถสร้างภาพได้ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ยังไม่มีเลนส์ใดที่สามารถสร้างคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่ปล่อยออกมาจากวัตถุได้อย่างสมบูรณ์ ดังนั้นเป้าหมายของภาพที่สมบูรณ์แบบ 100 เปอร์เซ็นต์จึงยังคงอยู่ อย่างไรก็ตาม นักวิทยาศาสตร์หลายคนเชื่อว่าเลนส์ที่สมบูรณ์แบบอย่างแท้จริงนั้นเป็นไปไม่ได้ เพราะจะมีการสูญเสียพลังงานจากการดูดซับอยู่เสมอเมื่อคลื่นผ่านวัสดุใดๆ ที่รู้จัก ในทางเปรียบเทียบ ภาพที่ได้จากซูเปอร์เลนส์นั้นดีกว่าภาพที่สร้างขึ้นโดยไม่มีซูเปอร์เลนส์เงินอย่างมาก^{[ 23 ]}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2547 ระบบโฟกัสรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่ใช้แผ่นเมตามาเทเรียลที่มีดัชนีหักเหเป็นลบ สามารถสร้างภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าความยาวคลื่นในย่านไมโครเวฟได้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการได้ภาพที่แยกออกจากกันที่ความยาวคลื่นน้อยกว่าความยาวคลื่นของแสงนั้นเป็นไปได้^{[ 59 ]}นอกจากนี้ ในปี พ.ศ. 2547 ยังมีการใช้ชั้นเงินสำหรับ การสร้างภาพระยะใกล้ที่มีความละเอียดสูงกว่า ไมโครเมตรแม้ว่าจะไม่สามารถสร้างความละเอียดสูงมากได้ แต่ก็เป็นเป้าหมายที่ตั้งไว้ ชั้นเงินมีความหนาเกินไปที่จะช่วยให้สามารถเพิ่มส่วนประกอบของสนามเอวาเนสเซนต์ได้อย่างมีนัยสำคัญ^{[ 30 ]}

ในช่วงต้นปี 2548 ได้มีการสร้างความละเอียดของคุณลักษณะโดยใช้ชั้นเงินที่แตกต่างกัน แม้ว่านี่จะไม่ใช่ภาพจริง แต่ก็เป็นความตั้งใจ ความละเอียดของคุณลักษณะที่หนาแน่นถึง 250 นาโนเมตรถูกสร้างขึ้นในโฟโตเรซิสต์ หนา 50 นาโนเมตร โดยใช้แสงจากหลอดไฟปรอทจากการจำลอง ( FDTD ) การศึกษาพบว่าสามารถคาดหวังการปรับปรุงความละเอียดสำหรับการถ่ายภาพผ่านเลนส์เงินได้ แทนที่จะใช้วิธีการถ่ายภาพใกล้สนามแบบอื่น^{[ 60 ]}

จากการวิจัยก่อนหน้านี้ ความละเอียดสูงพิเศษเกิดขึ้นที่ความถี่แสงโดยใช้ชั้นเงินแบน 50 นาโนเมตร ความสามารถในการแยกแยะภาพเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนสำหรับการถ่ายภาพระยะไกลถูกกำหนดไว้ในที่นี้ว่าเป็นความละเอียดสูงพิเศษ^{[ 30 ]}

ความแม่นยำของภาพดีขึ้นมากเมื่อเทียบกับผลลัพธ์ก่อนหน้านี้ของชุดเลนส์ทดลองก่อนหน้านี้ การสร้างภาพคุณลักษณะระดับไมโครเมตรย่อยได้รับการปรับปรุงอย่างมากโดยการใช้ชั้นเงินและชั้นตัวเว้นระยะที่บางลง และโดยการลดความหยาบของพื้นผิวของชุดเลนส์ ความสามารถของเลนส์เงินในการสร้างภาพตะแกรงถูกใช้เป็นการทดสอบความละเอียดขั้นสูงสุด เนื่องจากมีขีดจำกัดที่แน่นอนสำหรับความสามารถของเลนส์ทั่วไป (สนามไกล) ในการสร้างภาพวัตถุเป็นคาบ – ในกรณีนี้ภาพคือตะแกรงเลี้ยวเบน สำหรับการส่องสว่างแบบตกกระทบปกติ คาบเชิงพื้นที่ขั้นต่ำที่สามารถแยกแยะได้ด้วยความยาวคลื่น λ ผ่านตัวกลางที่มีดัชนีหักเห n คือ λ/n ดังนั้นจึงคาดว่าจะมีความคมชัดเป็นศูนย์ในภาพสนามไกล (ทั่วไป) ใดๆ ที่ต่ำกว่าขีดจำกัดนี้ ไม่ว่าสารต้านทานการสร้างภาพจะดีเพียงใดก็ตาม^{[ 30 ]}

การเรียงซ้อนเลนส์ (ซูเปอร์) ในที่นี้ส่งผลให้ได้ผลลัพธ์การคำนวณที่มีความละเอียดจำกัดการเลี้ยวเบนที่ 243 นาโนเมตร มีการสร้างภาพของตะแกรงที่มีคาบตั้งแต่ 500 นาโนเมตรลงไปจนถึง 170 นาโนเมตร โดยความลึกของการปรับเปลี่ยนในสารต้านทานจะลดลงเมื่อคาบของตะแกรงลดลง ตะแกรงทั้งหมดที่มีคาบสูงกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน (243 นาโนเมตร) สามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจน^{[ 30 ]}ผลลัพธ์ที่สำคัญของการทดลองนี้คือการสร้างภาพซูเปอร์ของขีดจำกัดย่อยการเลี้ยวเบนสำหรับคาบ 200 นาโนเมตรและ 170 นาโนเมตร ในทั้งสองกรณี ตะแกรงสามารถมองเห็นได้อย่างชัดเจน แม้ว่าความคมชัดจะลดลง แต่สิ่งนี้เป็นการยืนยันเชิงทดลองของข้อเสนอซูเปอร์เลนส์ของ Pendry ^{[ 30 ]}

ดัชนีการไล่ระดับ (GRIN) – ช่วงการตอบสนองของวัสดุที่กว้างขึ้นที่มีอยู่ในเมตามาเทเรียลควรนำไปสู่การออกแบบเลนส์ GRIN ที่ดีขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เนื่องจากค่าสภาพยอมและสภาพซึมผ่านของเมตามาเทเรียลสามารถปรับได้อย่างอิสระ เลนส์ GRIN ของเมตามาเทเรียลจึงน่าจะสามารถจับคู่กับพื้นที่ว่างได้ดีขึ้น เลนส์ GRIN สร้างขึ้นโดยใช้แผ่น NIM ที่มีดัชนีการหักเหแปรผันในทิศทาง y ซึ่งตั้งฉากกับทิศทางการแพร่กระจาย z ^{[ 61 ]}

ในปี พ.ศ. 2548 กลุ่มหนึ่งได้เสนอวิธีการทางทฤษฎีเพื่อเอาชนะข้อจำกัดของสนามใกล้โดยใช้อุปกรณ์ใหม่ที่เรียกว่าซูเปอร์เลนส์สนามไกล (FSL) ซึ่งเป็นซูเปอร์เลนส์ที่ใช้แผ่นโลหะลูกฟูกเป็นระยะที่ออกแบบอย่างเหมาะสม^{[ 62 ]}

การถ่ายภาพได้รับการสาธิตในเชิงทดลองในระยะไกล ซึ่งเป็นขั้นตอนต่อไปหลังจากการทดลองในระยะใกล้ องค์ประกอบสำคัญเรียกว่าเลนส์ซูเปอร์ระยะไกล (FSL) ซึ่งประกอบด้วยเลนส์ซูเปอร์ทั่วไปและตัวเชื่อมต่อระดับนาโน^{[ 63 ]}

มีการนำเสนอแนวทางสำหรับการโฟกัสไมโครเวฟที่ความยาวคลื่นย่อยโดยใช้ทั้งกระจกย้อนเวลาที่วางไว้ในระยะไกลและการกระจายแบบสุ่มของตัวกระจายที่วางไว้ในระยะใกล้ของจุดโฟกัส^{[ 64 ]}

เมื่อได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการสร้างภาพระยะใกล้แล้ว ขั้นตอนต่อไปคือการฉายภาพระยะใกล้ไปยังระยะไกล แนวคิดนี้ รวมถึงเทคนิคและวัสดุต่างๆ เรียกว่า "ไฮเปอร์เลนส์" ^{[ 65 ] [ 66 ]}

ในเดือนพฤษภาคม พ.ศ. 2555 การคำนวณแสดงให้เห็นว่าสามารถสร้างไฮเปอร์เลนส์อัลตราไวโอเลต (1200–1400 THz) ได้โดยใช้ชั้นสลับกันของโบรอนไนไตรด์และกราฟีน^{[ 67 ]}

ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2561 ได้มีการเปิดตัวไฮเปอร์เลนส์อินฟราเรดช่วงกลาง (~5–25 μm) ซึ่งทำจากอินเดียมอาร์เซไนด์หลายชั้นที่มีการเจือปนแบบแปรผัน ซึ่งให้การสูญเสียที่ลดลงอย่างมาก^{[ 68 ]}

ความสามารถของเมตามาเทเรียล-ไฮเปอร์เลนส์สำหรับการถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูงกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของแสง แสดงไว้ด้านล่าง

ด้วยเลนส์ออปติคอลทั่วไป สนามไกลเป็นขีดจำกัดที่ไกลเกินไปสำหรับคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่จะเดินทางมาถึงอย่างสมบูรณ์ เมื่อสร้างภาพวัตถุ สิ่งนี้จะจำกัดความละเอียดเชิงแสงของเลนส์ไว้ที่ระดับความยาวคลื่นของแสง คลื่นที่ไม่แพร่กระจายเหล่านี้มีข้อมูลรายละเอียดในรูปแบบของความละเอียดเชิงพื้นที่ สูง และเอาชนะข้อจำกัดต่างๆ ได้ ดังนั้น การฉายรายละเอียดของภาพ ซึ่งโดยปกติถูกจำกัดด้วยการเลี้ยวเบนไปยังสนามไกล จึงจำเป็นต้องมีการกู้คืนคลื่นเอวาเนสเซนต์^{[ 69 ]}

โดยพื้นฐานแล้วขั้นตอนที่นำไปสู่การตรวจสอบและการสาธิตนี้คือการใช้ เมตามาเทเรียล แบบแอนไอโซโทรปิกที่มี การกระจาย แบบไฮเปอร์โบลิกผลกระทบดังกล่าวทำให้คลื่นเอวาเนสเซนต์ธรรมดาแพร่กระจายไปตาม ทิศทาง รัศมีของเมตามาเทเรียลแบบหลายชั้น ในระดับจุลภาค คลื่นความถี่เชิงพื้นที่ขนาดใหญ่จะแพร่กระจายผ่านการกระตุ้นพลาสมอนพื้นผิวที่เชื่อมโยงกันระหว่างชั้นโลหะ^{[ 69 ]}

ในปี 2550 เมตามาเทเรียลแบบแอนไอโซโทรปิกดังกล่าวถูกนำมาใช้เป็นไฮ เปอร์เลนส์ เชิงแสงขยาย ไฮเปอร์เลนส์ประกอบด้วยชั้นเงินและอลูมินา บางๆ (หนา 35 นาโนเมตร) ที่เรียงซ้อนกันเป็นช่วงโค้งบนโพรงครึ่งทรงกระบอก และผลิตบนพื้นผิวควอตซ์ ค่าสภาพยอมทางรัศมีและสัมผัสมีเครื่องหมายต่างกัน^{[ 69 ]}

เมื่อได้รับแสง สนามเอวาเนสเซนต์ที่กระจัดกระจายจากวัตถุจะเข้าสู่ตัวกลางแอนไอโซโทรปิกและแพร่กระจายไปตามทิศทางรัศมี เมื่อรวมกับผลอีกอย่างหนึ่งของเมตามาเทเรียล จะเกิดภาพที่ขยายใหญ่ขึ้นที่ขอบเขตการเลี้ยวเบนภายนอกของไฮเปอร์เลนส์ เมื่อคุณลักษณะที่ขยายใหญ่ขึ้นมีขนาดใหญ่กว่า (เกิน) ขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแล้ว ก็สามารถถ่ายภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลทั่วไปได้ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการขยายและการฉายภาพที่เล็กกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนไปยังสนามไกล^{[ 69 ]}

เลนส์ไฮเปอร์ขยายวัตถุโดยการแปลงคลื่นเอวาเนสเซนต์ที่กระจัดกระจายให้เป็นคลื่นแพร่กระจายในตัวกลางแอนไอโซโทรปิก ฉายภาพความละเอียดสูงที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่ไปยังสนามไกล เลนส์ชนิดนี้ที่ใช้เมตามาเทเรียล เมื่อจับคู่กับเลนส์ออปติคอลทั่วไป จึงสามารถเปิดเผยรูปแบบที่มีขนาดเล็กเกินกว่าจะมองเห็นได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์ออปติคอลทั่วไป ในการทดลองหนึ่ง เลนส์สามารถแยกแยะเส้นขนาด 35 นาโนเมตรสองเส้นที่สลักห่างกัน 150 นาโนเมตรได้ หากไม่มีเมตามาเทเรียล กล้องจุลทรรศน์จะแสดงเพียงเส้นหนาเส้นเดียว^{[ 14 ]}

ในการทดลองควบคุม วัตถุคู่เส้นถูกถ่ายภาพโดยไม่มีไฮเปอร์เลนส์ ไม่สามารถแยกคู่เส้นได้เนื่องจากขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของรูรับแสง (ทางแสง) ถูกจำกัดไว้ที่ 260 นาโนเมตร เนื่องจากไฮเปอร์เลนส์รองรับการแพร่กระจายของเวกเตอร์คลื่นสเปกตรัมกว้างมาก จึงสามารถขยายวัตถุใดๆ ก็ได้ด้วยความละเอียดที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน^{[ 69 ]}

แม้ว่างานนี้จะดูเหมือนมีข้อจำกัดอยู่บ้างตรงที่เป็น ไฮเปอร์เลนส์ ทรงกระบอก เท่านั้น แต่ขั้นตอนต่อไปคือการออกแบบ เลนส์ ทรงกลมเลนส์ดังกล่าวจะแสดงความสามารถสามมิติ กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลระยะใกล้ใช้ปลายเพื่อสแกนวัตถุ ในทางตรงกันข้าม ไฮเปอร์เลนส์ออปติคอลนี้จะขยายภาพที่เล็กกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบน ภาพที่ขยายแล้วซึ่งมีขนาดเล็กกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนจะถูกฉายไปยังสนามไกล^{[ 14 ] [ 69 ]}

เลนส์ไฮเปอร์ออปติกแสดงศักยภาพที่โดดเด่นสำหรับการใช้งาน เช่น การถ่ายภาพชีวโมเลกุลแบบเรียลไทม์และนาโนลิโทกราฟี เลนส์ดังกล่าวสามารถใช้ในการสังเกตกระบวนการของเซลล์ที่ไม่สามารถมองเห็นได้ ในทางกลับกัน สามารถใช้ฉายภาพที่มีคุณสมบัติละเอียดมากบนโฟโตเรซิสต์เป็นขั้นตอนแรกในโฟโตลิโทกราฟี ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ในการผลิตชิปคอมพิวเตอร์ เลนส์ไฮเปอร์ยังมีแอปพลิเคชันสำหรับเทคโนโลยี DVD อีกด้วย^{[ 14 ] [ 69 ]}

ในปี 2010 ได้มีการสาธิตไฮเปอร์เลนส์ทรงกลมสำหรับการสร้างภาพสองมิติที่ความถี่แสงที่มองเห็นได้ในเชิงทดลอง ไฮเปอร์เลนส์ทรงกลมนี้สร้างขึ้นจากเงินและไทเทเนียมออกไซด์ในชั้นสลับกัน และมีการกระจายแบบไฮเปอร์โบลิกที่ไม่สมมาตรอย่างมาก ทำให้สามารถสร้างความละเอียดสูงพิเศษในช่วงสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ ความละเอียดอยู่ที่ 160 นาโนเมตรในช่วงสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ ซึ่งจะช่วยให้สามารถสร้างภาพทางชีววิทยาในระดับเซลล์และดีเอ็นเอได้ โดยมีข้อดีอย่างมากในการขยายความละเอียดที่ต่ำกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนไปสู่ระยะไกล ^{[ 70 ]}

ในปี 2550 นักวิจัยได้สาธิตการสร้างภาพขั้นสูงโดยใช้วัสดุที่สร้างดัชนีหักเหเชิงลบและสามารถสร้างเลนส์ได้ในช่วงที่มองเห็นได้^{[ 47 ]}

จำเป็นต้องมีการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในด้านกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลเพื่อให้ทันกับความก้าวหน้าในด้านนาโนเทคโนโลยีและจุลชีววิทยาการพัฒนาความละเอียดเชิงพื้นที่เป็นสิ่งสำคัญ กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลทั่วไปมีข้อจำกัดด้านขีดจำกัดการเลี้ยวเบนซึ่งอยู่ที่ประมาณ 200 นาโนเมตร (ความยาวคลื่น) ซึ่งหมายความว่าไวรัสโปรตีน โมเลกุล DNA และตัวอย่างอื่นๆ อีกมากมายนั้นยากที่จะสังเกตได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบธรรมดา (ออปติคอล) เลนส์ที่แสดงให้เห็นก่อนหน้านี้ด้วยวัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นลบ ซึ่งเป็นซูเปอร์เลนส์ระนาบบางๆ นั้น ไม่ได้ให้กำลังขยายเกินขีดจำกัดการเลี้ยวเบนของกล้องจุลทรรศน์แบบทั่วไป ดังนั้น ภาพที่เล็กกว่าขีดจำกัดการเลี้ยวเบนแบบทั่วไปจึงยังคงไม่สามารถใช้งานได้^{[ 47 ]}

แนวทางอื่นในการสร้างความละเอียดสูงพิเศษที่ความยาวคลื่นที่มองเห็นได้คือเลนส์ไฮเปอร์ทรงกลมที่พัฒนาขึ้นใหม่เมื่อเร็ว ๆ นี้ โดยใช้ชั้นสลับกันของเงินและไทเทเนียมออกไซด์ มีการกระจายตัวแบบไฮเปอร์โบลิกที่ไม่สมมาตรอย่างมาก ทำให้สามารถสร้างความละเอียดสูงพิเศษได้โดยการแปลงคลื่นเอวาเนสเซนต์ให้เป็นคลื่นแพร่กระจาย วิธีนี้เป็นการสร้างภาพความละเอียดสูงพิเศษโดยไม่ใช้การเรืองแสง ซึ่งส่งผลให้ได้ภาพแบบเรียลไทม์โดยไม่ต้องสร้างภาพและข้อมูลใหม่^{[ 70 ]}

ภายในปี 2008 ขีดจำกัดการเลี้ยวเบนได้ถูกก้าวข้ามไปแล้ว และความละเอียดในการถ่ายภาพด้านข้างที่ 20 ถึง 50 นาโนเมตรก็สามารถทำได้ด้วยเทคนิคกล้องจุลทรรศน์แบบ "ความละเอียดสูงพิเศษ" ระยะไกลหลายวิธี รวมถึงกล้องจุลทรรศน์แบบการลดการปล่อยแสงกระตุ้น (STED) และกล้องจุลทรรศน์ RESOLFT (การเปลี่ยนผ่านฟลูออเรสเซนต์เชิงเส้นแบบอิ่มตัวที่ผันกลับได้) ที่เกี่ยวข้อง กล้องจุลทรรศน์แบบการส่องสว่างโครงสร้างอิ่มตัว (SSIM) กล้องจุลทรรศน์แบบการสร้างภาพใหม่เชิงแสงแบบสุ่ม (STORM) กล้องจุลทรรศน์แบบการระบุตำแหน่งที่กระตุ้นด้วยแสง (PALM) และวิธีการอื่นๆ ที่ใช้หลักการที่คล้ายกัน^{[ 71 ]}

เรื่องนี้เริ่มต้นด้วยข้อเสนอของ Pendry ในปี 2546 การขยายภาพต้องใช้แนวคิดการออกแบบใหม่ โดยที่พื้นผิวของเลนส์หักเหแสงเชิงลบจะโค้ง กระบอกหนึ่งสัมผัสกับกระบอกอีกอัน ทำให้เกิดเลนส์ทรงกระบอก โค้ง ซึ่งสร้างเนื้อหาของกระบอกที่เล็กกว่าในรูปแบบที่ขยายใหญ่ขึ้นแต่ไม่บิดเบี้ยวภายนอกกระบอกที่ใหญ่กว่า จำเป็นต้องมีการแปลงพิกัดเพื่อโค้งเลนส์ที่สมบูรณ์แบบดั้งเดิมให้เป็นโครงสร้างเลนส์ทรงกระบอก^{[ 72 ]}

ตามมาด้วยการพิสูจน์เชิงแนวคิดและคณิตศาสตร์จำนวน 36 หน้าในปี 2548 ซึ่งแสดงให้เห็นว่าซูเปอร์เลนส์ทรงกระบอกทำงานในระบอบกึ่งสถิตการถกเถียงเกี่ยวกับเลนส์ที่สมบูรณ์แบบจะถูกกล่าวถึงเป็นอันดับแรก^{[ 73 ]}

ในปี 2550 เลนส์พิเศษที่ใช้การแปลงพิกัดกลับมาเป็นหัวข้ออีกครั้ง อย่างไรก็ตาม นอกเหนือจากการถ่ายโอนภาพแล้ว ยังมีการหารือเกี่ยวกับการดำเนินการที่มีประโยชน์อื่นๆ เช่น การเลื่อน การหมุน การสะท้อน และการกลับด้าน รวมถึงผลของเลนส์พิเศษด้วย ยิ่งไปกว่านั้น ยังมีการอธิบายองค์ประกอบที่ทำการขยายภาพ ซึ่งปราศจากความคลาดเคลื่อนทางเรขาคณิตทั้งด้านอินพุตและเอาต์พุต ในขณะที่ใช้แหล่งกำเนิดในพื้นที่ว่าง (แทนที่จะใช้ท่อนำคลื่น) องค์ประกอบการขยายภาพเหล่านี้ยังทำงานในระยะใกล้และระยะไกล โดยถ่ายโอนภาพจากระยะใกล้ไปยังระยะไกล^{[ 74 ]}

เลนส์ขยายทรงกระบอกได้รับการสาธิตเชิงทดลองในปี 2550 โดยสองกลุ่ม ได้แก่ Liu et al. ^{[ 69 ]}และ Smolyaninov et al. ^{[ 47 ] [ 75 ]}

งานวิจัยในปี 2550 แสดงให้เห็นว่า อาร์เรย์นาโนโฮล แบบกึ่งคาบใน หน้าจอ โลหะสามารถโฟกัสพลังงานแสงของคลื่นระนาบเพื่อสร้างจุดขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่น (จุดร้อน) ระยะห่างของจุดเหล่านี้คือไม่กี่สิบความยาวคลื่นที่อีกด้านหนึ่งของอาร์เรย์ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือตรงข้ามกับด้านของคลื่นระนาบที่ตกกระทบ อาร์เรย์นาโนโฮลแบบกึ่งคาบทำหน้าที่เป็นตัวรวมแสง^{[ 76 ]}

ในเดือนมิถุนายน พ.ศ. 2551 ได้มีการสาธิตความสามารถของอาร์เรย์ของ นาโนโฮล กึ่งคริสตัลในหน้าจอโลหะ แทนที่จะรวมจุดร้อน ภาพของแหล่งกำเนิดแสงแบบจุดจะแสดงขึ้นที่ระยะไม่กี่สิบความยาวคลื่นจากอาร์เรย์ บนอีกด้านหนึ่งของอาร์เรย์ (ระนาบภาพ) นอกจากนี้ อาร์เรย์ประเภทนี้ยังแสดงการเคลื่อนที่เชิงเส้นแบบ 1 ต่อ 1 – จากตำแหน่งของแหล่งกำเนิดแสงแบบจุดไปยังตำแหน่งขนานที่สอดคล้องกันบนระนาบภาพ กล่าวคือ จาก x ไปยัง x + δx ตัวอย่างเช่น แหล่งกำเนิดแสงแบบจุดอื่นๆ จะถูกเคลื่อนที่ในทำนองเดียวกันจาก x' ไปยัง x' + δx' จาก x^ ไปยัง x^ + δx^ และจาก x^^ ไปยัง x^^ + δx^^ เป็นต้น แทนที่จะทำหน้าที่เป็นตัวรวมแสง สิ่งนี้จะทำหน้าที่เหมือนการสร้างภาพด้วยเลนส์แบบดั้งเดิมด้วยการจับคู่แบบ 1 ต่อ 1 แม้ว่าจะใช้แหล่งกำเนิดแสงแบบจุดก็ตาม^{[ 76 ]}

อย่างไรก็ตาม การแก้ปัญหาโครงสร้างที่ซับซ้อนมากขึ้นสามารถทำได้โดยการสร้างแหล่งกำเนิดจุดหลายจุด รายละเอียดที่ละเอียดและภาพที่สว่างกว่า ซึ่งโดยปกติจะเกี่ยวข้องกับรูรับแสงเชิงตัวเลขสูงของเลนส์ทั่วไป สามารถสร้างขึ้นได้อย่างน่าเชื่อถือ การใช้งานที่โดดเด่นสำหรับเทคโนโลยีนี้เกิดขึ้นเมื่อเลนส์ทั่วไปไม่เหมาะสมกับงานที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น เทคโนโลยีนี้เหมาะสมกว่าสำหรับการถ่ายภาพรังสีเอกซ์หรือ วงจร นาโนออปติคอลเป็นต้น^{[ 76 ]}

ในปี 2010 ต้นแบบอาร์เรย์นาโนไวร์ ซึ่งอธิบายว่าเป็นนาโนเลนส์เมตามาเทเรียลสามมิติ (3D) ที่ประกอบด้วยนาโนไวร์จำนวนมากที่ฝังอยู่ใน พื้นผิว ไดอิเล็กทริกได้ถูกสร้างและทดสอบ^{[ 77 ] [ 78 ]}

เลนส์นาโนเมตามาเทเรียลถูกสร้างขึ้นจากนาโนไวร์นับล้านเส้นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 นาโนเมตร นาโนไวร์เหล่านี้ถูกจัดเรียงอย่างแม่นยำและนำมาใช้ในรูปแบบบรรจุภัณฑ์ เลนส์นี้สามารถแสดงภาพที่ชัดเจนและมีความละเอียดสูงของวัตถุขนาดนาโนได้ เนื่องจากใช้ทั้งรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าที่แพร่กระจายตามปกติและคลื่นเอวาเนสเซนต์ในการสร้างภาพ การถ่ายภาพความละเอียดสูงพิเศษได้รับการสาธิตในระยะทาง 6 เท่าของความยาวคลื่น (λ) ในระยะไกล ด้วยความละเอียดอย่างน้อย λ/4 นี่เป็นการปรับปรุงที่สำคัญเหนือการวิจัยและการสาธิตก่อนหน้านี้ของการถ่ายภาพระยะใกล้และระยะไกลอื่นๆ รวมถึงอาร์เรย์นาโนโฮลที่กล่าวถึงด้านล่าง^{[ 77 ] [ 78 ]}

2009–12 คุณสมบัติการส่งผ่านแสงของฟิล์มโลหะที่มีรูพรุนในขีดจำกัดของเมตามาเทเรียล ซึ่งความยาวหน่วยของโครงสร้างเป็นระยะมีขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นที่ใช้งานมาก ได้รับการวิเคราะห์ทางทฤษฎี^{[ 79 ]}

ตามทฤษฎีแล้ว ดูเหมือนว่าจะสามารถส่งภาพแม่เหล็กไฟฟ้าที่ซับซ้อนผ่านรูขนาดเล็กกว่าความยาวคลื่นที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของภาพได้อย่างมาก โดยไม่สูญเสียรายละเอียดที่เล็กกว่าความยาวคลื่น^{[ 80 ]}

เมื่อสังเกตกระบวนการที่ซับซ้อนในเซลล์ที่มีชีวิต กระบวนการสำคัญ (การเปลี่ยนแปลง) หรือรายละเอียดต่างๆ อาจถูกมองข้ามได้ง่าย สิ่งนี้อาจเกิดขึ้นได้ง่ายขึ้นเมื่อสังเกตการเปลี่ยนแปลงที่ใช้เวลานานในการเกิดขึ้นและต้องใช้การถ่ายภาพที่มีความละเอียดเชิงพื้นที่สูง อย่างไรก็ตาม งานวิจัยล่าสุดได้เสนอวิธีแก้ปัญหาในการตรวจสอบกิจกรรมที่เกิดขึ้นเป็นเวลาหลายชั่วโมงหรือหลายวันภายในเซลล์ ซึ่งอาจช่วยไขปริศนามากมายที่เกี่ยวข้องกับเหตุการณ์ระดับโมเลกุลที่เกิดขึ้นในสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเหล่านี้^{[ 81 ]}

ทีมวิจัยร่วมที่ทำงานอยู่ที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) และสถาบันโรคภูมิแพ้และโรคติดเชื้อแห่งชาติ (NIAID) ได้ค้นพบวิธีการใช้อนุภาคนาโนเพื่อส่องสว่างภายในเซลล์เพื่อเปิดเผยกระบวนการที่เกิดขึ้นช้าเหล่านี้ อนุภาคนาโนมีขนาดเล็กกว่าเซลล์หลายพันเท่า และมีการใช้งานที่หลากหลาย อนุภาคนาโนชนิดหนึ่งที่เรียกว่าควอนตัมดอทจะเรืองแสงเมื่อสัมผัสกับแสง อนุภาคเซมิคอนดักเตอร์เหล่านี้สามารถเคลือบด้วยวัสดุอินทรีย์ ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อดึงดูดโปรตีนเฉพาะภายในส่วนของเซลล์ที่นักวิทยาศาสตร์ต้องการตรวจสอบ^{[ 81 ]}

ที่น่าสังเกตคือ ควอนตัมดอทมีอายุการใช้งานนานกว่าสีย้อมอินทรีย์และโปรตีนเรืองแสงหลายชนิดที่เคยใช้ในการส่องสว่างภายในเซลล์ นอกจากนี้ยังมีข้อดีในการตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในกระบวนการของเซลล์ ในขณะที่เทคนิคความละเอียดสูงส่วนใหญ่ เช่น กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอน ให้ภาพของกระบวนการของเซลล์ที่หยุดนิ่ง ณ ช่วงเวลาหนึ่งเท่านั้น การใช้ควอนตัมดอททำให้สามารถสังเกต (อธิบาย) กระบวนการของเซลล์ที่เกี่ยวข้องกับการเคลื่อนไหวแบบไดนามิกของโปรตีนได้^{[ 81 ]}

การวิจัยมุ่งเน้นไปที่การกำหนดคุณสมบัติของควอนตัมดอทเป็นหลัก โดยเปรียบเทียบกับเทคนิคการถ่ายภาพอื่นๆ ตัวอย่างเช่น ควอนตัมดอทถูกออกแบบมาเพื่อกำหนดเป้าหมายโปรตีนเม็ดเลือดแดงของมนุษย์ชนิดหนึ่งโดยเฉพาะ ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างเครือข่ายในเยื่อหุ้มเซลล์ชั้นใน เมื่อโปรตีนเหล่านี้รวมตัวกันในเซลล์ที่แข็งแรง เครือข่ายจะให้ความยืดหยุ่นทางกลแก่เซลล์ ทำให้เซลล์สามารถบีบตัวผ่านเส้นเลือดฝอยแคบๆ และพื้นที่แคบๆ อื่นๆ ได้ แต่เมื่อเซลล์ติดเชื้อปรสิตมาลาเรีย โครงสร้างของโปรตีนเครือข่ายจะเปลี่ยนแปลงไป^{[ 81 ]}

เนื่องจากกลไกการรวมกลุ่มยังไม่เป็นที่เข้าใจดี จึงตัดสินใจตรวจสอบด้วยควอนตัมดอท หากสามารถพัฒนาเทคนิคเพื่อแสดงภาพการรวมกลุ่มได้ ก็จะสามารถเข้าใจความคืบหน้าของการติดเชื้อมาลาเรียได้ ซึ่งมีหลายขั้นตอนการพัฒนาที่แตกต่างกัน^{[ 81 ]}

งานวิจัยเผยให้เห็นว่าเมื่อโปรตีนเยื่อหุ้มเซลล์รวมตัวกัน จุดควอนตัมที่ติดอยู่กับโปรตีนเหล่านั้นจะถูกกระตุ้นให้รวมกลุ่มกันและเรืองแสงสว่างขึ้น ทำให้สามารถสังเกตการรวมกลุ่มของโปรตีนแบบเรียลไทม์ได้ โดยทั่วไปแล้ว งานวิจัยค้นพบว่าเมื่อจุดควอนตัมยึดติดกับวัสดุนาโนอื่นๆ คุณสมบัติทางแสงของจุดควอนตัมจะเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะเฉพาะในแต่ละกรณี ยิ่งไปกว่านั้น ยังพบหลักฐานว่าคุณสมบัติทางแสงของจุดควอนตัมเปลี่ยนแปลงไปตามสภาพแวดล้อมระดับนาโน ทำให้มีโอกาสมากขึ้นในการใช้จุดควอนตัมเพื่อตรวจจับสภาพแวดล้อมทางชีวเคมีภายในเซลล์^{[ 81 ]}

ยังคงมีข้อกังวลบางประการเกี่ยวกับความเป็นพิษและคุณสมบัติอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ผลการค้นพบโดยรวมบ่งชี้ว่าควอนตัมดอทอาจเป็นเครื่องมือที่มีค่าในการตรวจสอบกระบวนการของเซลล์แบบไดนามิก^{[ 81 ]}

บทคัดย่อจากงานวิจัยที่ตีพิมพ์ที่เกี่ยวข้องระบุไว้ (บางส่วน): นำเสนอผลลัพธ์เกี่ยวกับคุณสมบัติการเรืองแสงแบบไดนามิกของนาโนคริสตัลหรือควอนตัมดอต (QD) ที่เชื่อมต่อทางชีวภาพในสภาพแวดล้อมทางเคมีและกายภาพที่แตกต่างกัน มีการเตรียมและเปรียบเทียบตัวอย่าง QD หลากหลายชนิด ได้แก่ QD เดี่ยวๆ กลุ่ม QD และ QD ที่เชื่อมต่อกับวัสดุนาโนอื่นๆ...

• " การแสวงหาสุดยอดเลนส์ " โดยจอห์น บี. เพนดรีและ เดวิด อาร์ . สมิธ นิตยสารScientific Americanกรกฎาคม 2549 ไฟล์ PDF จากImperial College
• การถ่ายภาพระดับความยาวคลื่นย่อย
• ศาสตราจารย์เซอร์จอห์น เพนดรี แห่ง MIT – "เลนส์ที่สมบูรณ์แบบ: ความละเอียดเหนือขีดจำกัดของความยาวคลื่น"
• " ทัศนศาสตร์ระดับย่อยของพลาสมอนบนพื้นผิว " 2009-12-05
• " เลนส์ขั้นสูงเพื่อเอาชนะข้อจำกัดของการเลี้ยวเบน เก็บถาวรเมื่อ 2011-07-20 ที่Wayback Machine "
• " การก้าวข้ามขีดจำกัดการเลี้ยวเบนเก็บถาวรเมื่อ 28 กุมภาพันธ์ 2009 ที่Wayback Machine " ภาพรวมของทฤษฎีเลนส์พิเศษ
• " การจำลองเลนส์ซูเปอร์เลนส์แบบแบน " EM Talk
• " กล้องจุลทรรศน์เลนส์พิเศษถ่ายภาพระยะใกล้เก็บถาวรเมื่อ 19 มกราคม 2012 ที่Wayback Machine "
• " ความก้าวหน้าครั้งสำคัญของเลนส์ขั้นสูงถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 19 มกราคม 2012 ที่Wayback Machine "
• " เลนส์ขั้นสุดยอดทำลายขีดจำกัดทางด้านทัศนศาสตร์(เก็บถาวรเมื่อ 13 มกราคม 2012 ) "
• " วัสดุที่มีดัชนีหักเหเป็นลบ " โดย วี.เอ. โพดอลสกี
• " การปรับแต่งเลนส์ขั้นสูง: การปรับเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตเพื่อเพิ่มความละเอียด " โดย VA Podolskiy และ Nicholas A. Kuhta
• " เดี๋ยวเห็น เดี๋ยวไม่เห็น: อุปกรณ์พรางตัวไม่ใช่แค่เรื่องในนิยายวิทยาศาสตร์ "
• " หน้าแรกอธิบายถึงการสาธิตครั้งแรกของการหักเหของแสงในทิศทางลบในวัสดุธรรมชาติ "
• " การเข้าถึงเอกสารที่มีดัชนีเป็นลบทำได้ง่ายเก็บถาวรเมื่อวันที่ 17 มกราคม 2010 ที่Wayback Machine "
• " เลนส์ 'ซูเปอร์เลนส์' ที่เรียบง่ายแต่ทรงพลัง ช่วยเพิ่มความคมชัดในการโฟกัส " – เลนส์ที่สามารถโฟกัสได้คมชัดกว่าเลนส์ทั่วไปถึง 10 เท่า อาจช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการส่งพลังงานไร้สายและการพิมพ์ภาพด้วยแสงได้อย่างมาก ( นิวไซเอนทิสต์ , 24 เมษายน 2551)
• " กล้องจุลทรรศน์เชิงแสงระยะไกลระดับนาโน " โดย Stefan W. Hell เล่มที่ 316 วารสาร Science 25 พฤษภาคม 2550
• " ไฮเปอร์เลนส์ไดอิเล็กทริกอัลตราไวโอเลตที่มีกราฟีนและโบรอนไนไตรด์แบบหลายชั้น " 22 พฤษภาคม 2555
• Andrei, Mihai (4 มกราคม 2018). "เลนส์โลหะแบบใหม่ที่ปฏิวัติวงการ สามารถรวมสเปกตรัมแสงที่มองเห็นได้ทั้งหมดไว้ที่จุดเดียว" . ZME Science . สืบค้นเมื่อ5 มกราคม 2018 .