Abstract

We demonstrate sub-Rayleigh limit imaging of an object via speckle illumination. Imaging beyond the conventional Rayleigh limit is achieved by illuminating the object with pseudothermal light that exhibits a random speckle pattern. An object image is reconstructed from the second-order correlation measurement and the resolution of the image, which exceeds the Rayleigh limit, is shown to be related to the size of the speckle pattern that is tied to the lateral coherence length of the pseudothermal light.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. Hell and E. H. K. Stelzer, Opt. Commun. 93, 277 (1992).
    [CrossRef]
  2. S. Hell and J. Wichmann, Opt. Lett. 19, 780 (1994).
    [CrossRef]
  3. S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
    [CrossRef]
  4. M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
    [CrossRef]
  5. M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
    [CrossRef]
  6. A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
    [CrossRef]
  7. R. S. Bennink, S. J. Bentley, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).
    [CrossRef]
  8. A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
    [CrossRef]
  9. R. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Phys. Rev. A 77, 041801(R) (2008).
    [CrossRef]
  10. C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
    [CrossRef]
  11. P. Clemente, V. Durán, V. Torres-Company, E. Tajahuerce, and J. Lancis, Opt. Lett. 35, 2391 (2010).
    [CrossRef]
  12. R. E. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Appl. Phys. Lett. 98, 111115 (2011).
    [CrossRef]
  13. G. Scarcelli and S. H. Yun, Opt. Express 16, 16189 (2008).
    [CrossRef]
  14. N. Tian, Q. Guo, A. Wang, D. Xu, and L. Fu, Opt. Lett. 36, 3302 (2011).
    [CrossRef]
  15. V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
    [CrossRef]
  16. F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
    [CrossRef]
  17. S. Mouradian, F. N. C. Wong, and J. H. Shapiro, Opt. Express 19, 5480 (2011).
    [CrossRef]
  18. P. Zhang, W. Gong, X. Shen, D. Huang, and S. Han, Opt. Lett. 34, 1222 (2009).
    [CrossRef]
  19. X.-H. Chen, I. N. Agafonov, K.-H. Luo, Q. Liu, R. Xian, M. V. Chekhova, and L.-A. Wu, Opt. Lett. 35, 1166 (2010).
    [CrossRef]
  20. T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
    [CrossRef]
  21. M. Tsang, Phys. Rev. Lett. 102, 253601 (2009).
    [CrossRef]
  22. G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
    [CrossRef]

2012

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

2011

R. E. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Appl. Phys. Lett. 98, 111115 (2011).
[CrossRef]

N. Tian, Q. Guo, A. Wang, D. Xu, and L. Fu, Opt. Lett. 36, 3302 (2011).
[CrossRef]

S. Mouradian, F. N. C. Wong, and J. H. Shapiro, Opt. Express 19, 5480 (2011).
[CrossRef]

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

2010

2009

V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
[CrossRef]

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

M. Tsang, Phys. Rev. Lett. 102, 253601 (2009).
[CrossRef]

P. Zhang, W. Gong, X. Shen, D. Huang, and S. Han, Opt. Lett. 34, 1222 (2009).
[CrossRef]

2008

R. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Phys. Rev. A 77, 041801(R) (2008).
[CrossRef]

G. Scarcelli and S. H. Yun, Opt. Express 16, 16189 (2008).
[CrossRef]

2006

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef]

2005

A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
[CrossRef]

2002

R. S. Bennink, S. J. Bentley, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).
[CrossRef]

2000

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef]

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

1994

1992

S. Hell and E. H. K. Stelzer, Opt. Commun. 93, 277 (1992).
[CrossRef]

Abrams, D. S.

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

Agafonov, I. N.

Bates, M.

M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef]

Bennink, R. S.

R. S. Bennink, S. J. Bentley, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).
[CrossRef]

Bentley, S. J.

R. S. Bennink, S. J. Bentley, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).
[CrossRef]

Boto, A. N.

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

Boyd, R. W.

R. S. Bennink, S. J. Bentley, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).
[CrossRef]

Braunstein, S. L.

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

Brida, G.

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

Chekhova, M. V.

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

X.-H. Chen, I. N. Agafonov, K.-H. Luo, Q. Liu, R. Xian, M. V. Chekhova, and L.-A. Wu, Opt. Lett. 35, 1166 (2010).
[CrossRef]

Chen, M.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

Chen, X.-H.

Clemente, P.

Colyer, R.

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

D’Angelo, M.

A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
[CrossRef]

Deacon, K. S.

R. E. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Appl. Phys. Lett. 98, 111115 (2011).
[CrossRef]

R. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Phys. Rev. A 77, 041801(R) (2008).
[CrossRef]

Dertinger, T.

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

Dowling, J. P.

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

Durán, V.

Enderlein, J.

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

Fornaro, G. A.

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

Fu, L.

Genovese, M.

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

Giovannetti, V.

V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
[CrossRef]

Girirajan, T. P. K.

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

Gong, W.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

P. Zhang, W. Gong, X. Shen, D. Huang, and S. Han, Opt. Lett. 34, 1222 (2009).
[CrossRef]

Guerrieri, F.

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

Guo, Q.

Gustafsson, M. G. L.

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef]

Han, S.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

P. Zhang, W. Gong, X. Shen, D. Huang, and S. Han, Opt. Lett. 34, 1222 (2009).
[CrossRef]

Hell, S.

S. Hell and J. Wichmann, Opt. Lett. 19, 780 (1994).
[CrossRef]

S. Hell and E. H. K. Stelzer, Opt. Commun. 93, 277 (1992).
[CrossRef]

Hess, S. T.

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

Huang, D.

Iyer, G.

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

Kok, P.

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

Lancis, J.

Li, E.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

Liu, Q.

Lloyd, S.

V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
[CrossRef]

Lopaeva, L.

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

Luo, K.-H.

Maccone, L.

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
[CrossRef]

Mason, M. D.

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

Meyers, R.

R. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Phys. Rev. A 77, 041801(R) (2008).
[CrossRef]

Meyers, R. E.

R. E. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Appl. Phys. Lett. 98, 111115 (2011).
[CrossRef]

Mouradian, S.

Ruo Berchcera, I.

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

Rust, M. J.

M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef]

Scarcelli, G.

G. Scarcelli and S. H. Yun, Opt. Express 16, 16189 (2008).
[CrossRef]

A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
[CrossRef]

Shapiro, J. H.

S. Mouradian, F. N. C. Wong, and J. H. Shapiro, Opt. Express 19, 5480 (2011).
[CrossRef]

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
[CrossRef]

Shen, X.

Shih, Y.

R. E. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Appl. Phys. Lett. 98, 111115 (2011).
[CrossRef]

R. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Phys. Rev. A 77, 041801(R) (2008).
[CrossRef]

A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
[CrossRef]

Stelzer, E. H. K.

S. Hell and E. H. K. Stelzer, Opt. Commun. 93, 277 (1992).
[CrossRef]

Tajahuerce, E.

Tian, N.

Tisa, S.

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

Torres-Company, V.

Tsang, M.

M. Tsang, Phys. Rev. Lett. 102, 253601 (2009).
[CrossRef]

Valencia, A.

A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
[CrossRef]

Wang, A.

Wang, H.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

Weiss, S.

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

Wichmann, J.

Williams, C. P.

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

Wong, F. N. C.

S. Mouradian, F. N. C. Wong, and J. H. Shapiro, Opt. Express 19, 5480 (2011).
[CrossRef]

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

Wu, L.-A.

Xian, R.

Xu, D.

Xu, W.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

Yun, S. H.

Zappa, F.

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

Zhang, P.

Zhao, C.

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

Zhuang, X.

M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett.

R. E. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Appl. Phys. Lett. 98, 111115 (2011).
[CrossRef]

C. Zhao, W. Gong, M. Chen, E. Li, H. Wang, W. Xu, and S. Han, Appl. Phys. Lett. 101, 141123 (2012).
[CrossRef]

Biophys. J.

S. T. Hess, T. P. K. Girirajan, and M. D. Mason, Biophys. J. 91, 4258 (2006).
[CrossRef]

J. Microsc.

M. G. L. Gustafsson, J. Microsc. 198, 82 (2000).
[CrossRef]

Nat. Methods

M. J. Rust, M. Bates, and X. Zhuang, Nat. Methods 3, 793 (2006).
[CrossRef]

Opt. Commun.

S. Hell and E. H. K. Stelzer, Opt. Commun. 93, 277 (1992).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. A

R. Meyers, K. S. Deacon, and Y. Shih, Phys. Rev. A 77, 041801(R) (2008).
[CrossRef]

G. Brida, M. V. Chekhova, G. A. Fornaro, M. Genovese, L. Lopaeva, and I. Ruo Berchcera, Phys. Rev. A 83, 063807 (2011).
[CrossRef]

V. Giovannetti, S. Lloyd, L. Maccone, and J. H. Shapiro, Phys. Rev. A 79, 013827 (2009).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett.

F. Guerrieri, L. Maccone, F. N. C. Wong, J. H. Shapiro, S. Tisa, and F. Zappa, Phys. Rev. Lett. 105, 163602 (2010).
[CrossRef]

A. N. Boto, P. Kok, D. S. Abrams, S. L. Braunstein, C. P. Williams, and J. P. Dowling, Phys. Rev. Lett. 85, 2733 (2000).
[CrossRef]

R. S. Bennink, S. J. Bentley, and R. W. Boyd, Phys. Rev. Lett. 89, 113601 (2002).
[CrossRef]

A. Valencia, G. Scarcelli, M. D’Angelo, and Y. Shih, Phys. Rev. Lett. 94, 063601 (2005).
[CrossRef]

M. Tsang, Phys. Rev. Lett. 102, 253601 (2009).
[CrossRef]

Proc. Natl. Acad. Sci. USA

T. Dertinger, R. Colyer, G. Iyer, S. Weiss, and J. Enderlein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 106, 22287 (2009).
[CrossRef]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (4)

Fig. 1.
Fig. 1.

Conceptual scheme for sub-Rayleigh imaging via speckle illumination. See text for details.

Fig. 2.
Fig. 2.

Experiment setup. Inset shows the object mask used in the experiment. See text for details.

Fig. 3.
Fig. 3.

Speckle illumination with different transverse coherence lc observed at the image plane through the fully open iris. (a) lc=119μm. (b) lc=63μm.

Fig. 4.
Fig. 4.

(a) Conventional intensity imaging. Image cannot be resolved. (b) and (c) Second-order correlation measurement with, respectively, speckle illumination shown in Figs. 3(a) and 3(b). Sub-Rayleigh imaging is clearly demonstrated.

Equations (3)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

I(r⃗i)somb2(Rkd1|r⃗o+r⃗iM|),
ΔG(2)(r⃗i,r⃗i)|Γ(r⃗o,r⃗o)somb(Rkd1|r⃗o+r⃗iM|)×somb(Rkd1|r⃗o+r⃗iM|)dr⃗o|2,
ΔG(2)(r⃗i,r⃗i)somb4(Rkd1|r⃗o+r⃗iM|).

Metrics