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成像专题 | 超构透镜技术助力快照式复振幅成像 (Sci. Advances)

单层超构透镜助力快照式复振幅成像

Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens

本期导读

光场相位信息可以揭示物质内在的物理化学属性或为系统的像差矫正提供支撑。定量相位测量技术在生物医学成像、三维面形测量、自适应光学等领域被广泛应用。然而，普通成像系统仅能记录振幅信息，相位信息无法被直接探测，这是由于光频段的电磁波振动频率远超光电探测器的响应速度。为获取相位，传统干涉测量系统光路复杂、受环境震动和激光散斑噪声干扰严重，新兴计算成像技术往往需要依赖多帧测量或目标场景先验信息。
鉴于此，清华大学的研究人员提出利用基于半导体工艺制造的单层“超构透镜”（metalens）替代传统相机镜头组（图1），通过在亚波长尺度设计超构表面结构单元，构造空间、偏振复用的成像系统点扩散函数，将复振幅光场信息编码在光强中并由偏振相机接收，结合偏振相移剪切干涉和相位重建算法，构建了一套复振幅光场成像系统。该系统能够在LED光源照明下，单次拍摄获取目标场景的复振幅信息。该研究近日以论文形式发表于顶刊Science Advances。

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图1. 基于普通透镜的成像系统和超构透镜的复振幅成像系统

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技术路线

所提出的复振幅超构透镜的设计和工作原理如图2所示。超构透镜口径为2毫米，由硅基纳米天线阵列构成。通过将矩形纳米柱的传播相位与通过旋转产生的几何相位相结合，独立调制左旋和右旋圆偏振入射光的透射相位。通过结合空间复用和偏振复用，偏振相机同时记录目标物体沿x-y两个方向的剪切干涉图像，解算出目标物体沿两个方向的相位梯度图像，并进一步重构出完整的复振幅信息。该方法继承了传统干涉测量技术相位测量精度高的优势，且系统紧凑、受环境震动影响小，不存在激光散斑噪声。

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图2. 基于超构透镜的复振幅成像原理（动画）

基于超构透镜的紧凑型复振幅成像系统如图3A所示，表征了形貌不规则的紫外光胶的表面高度（图3B）以验证系统的相位测量能力。与商用白光干涉仪测量结果高度符合，该方案单次测量耗时仅10ms，也可作为独立的快拆模块与标准显微成像系统集成以观察微观物体（如图3D-E），不同高度的定量相位分辨率靶标结果与白光干涉仪高度一致。此复振幅成像显微镜也可用于活细胞的无标记观察，同时提供强度和相位信息（如图3F-G）。

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图3. 植物和动复振幅成像系统的应用示意

    由于复振幅图像可以在单帧拍摄中获得，该系统亦可被用于记录三维面形的快速动态演化过程或用于运动细胞无标记观察。该研究演示了对空气扰动下的紫外光胶的表面形貌演化过程的记录以及对运动的草履虫细胞的观测（图4）。

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图3. 动态复振幅成像系统的应用演示（动画）

简单小结：该研究工作利用了单层超构透镜的空间和偏振复用能力，通过单次拍摄确定地重建复振幅光场。该系统的集成化和高鲁棒性使其适合于空间受限的成像场景，如内窥镜和快速移动目标的便携式即时医疗诊断，有望为光学像差校正和光学频段的远场超分辨成像提供新的思路。
论文信息：

  • Liu Li#, Shuai Wang#, Feng Zhao, Yixin Zhang, Shun Wen, Huichao Chai, Yunhui Gao, Wenhui Wang, Liangcai Cao, Yuanmu Yang* “Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens”. Science Advances 10, eadl0501 (2024)

技术详见：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl0501

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