高度集成的超构显微镜：打破视场限制学术资讯

来源：中国激光

Beibei Xu, Hanmeng Li, Shenglun Gao, Xia Hua, Cheng Yang, Chen Chen, Feng Yan, Shining Zhu, Tao Li. Metalens-integrated compact imaging devices for wide-field microscopy[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(6): 066004

显微镜在科学研究、健康医疗、工业应用等很多领域都扮演着重要角色。除了一直追求的高分辨之外，高集成、便携性和高通量逐渐成为人们对成像技术新的需求。基于折射光学的传统显微镜，虽然它们的成像性能已经非常优异，但往往受制于光学元件和架构体大笨重的问题。另外一个成像局限性来自于空间-带宽积约束在高分辨率下的视场范围受限（这是由传统单轴系统的基本光学成像原理决定的）。

图1 显微镜（图片来自网络）

近来，基于小像素CMOS芯片和强大计算机算法的发展，新的激动人心的成像技术也不断出现。它们可以打破空间-带宽积的限制，比如投影成像，计算成像。然而，这些“无透镜成像”技术并非真正的物理成像过程，因而受限于有限成像景深或者依赖后期处理算法，通常需要额外的先验知识或消耗计算资源。

图2 芯片（图片来自网络）

幸运的是，超构表面作为一种新的突破性光学设计，具有超薄超轻的结构，并已经在光场调控方面表现出强大能力。人们已经在超构表面全息、偏振调控、光束调制等方面取得显著进展。特别是，人们强烈期待利用高度集成的超构透镜成像来微型化和变革传统光学器件。

南京大学李涛教授研究团队通过直接将超构透镜组装在CMOS图像传感器上，发展出了一种超构透镜集成的成像器件（MIID）。它的成像距离只有几百微米，表现出超构集成的特点。基于这个MIID，一个硬币大小的成像原型机被成功研制出来（如图3（d）所示），其中就采用了硅的超构透镜（如图3（b）(c）所示）。更为重要的是，这个MIID是由一组精心设计的超构透镜阵列（6×6）组成，其中每个透镜尺寸在200 μm。这样，不管它集成了多少个透镜，其成像距离保持很小（~500 μm）并且不变。这个超构透镜阵列可以进一步扩展到整个CMOS传感器的厘米尺寸（只要纳米加工能跟上），同时不增加其成像距离。

图3 利用偏振复用的超构透镜阵列的集成成像器件（MIID）。（a）偏振复用双相位（PMDP）的超构透镜在x-y平面的相位分布示意图。蓝色和红色分别表示左旋和右旋圆偏振光对应的聚焦相位区域。虚线表示的各自透镜有限的视场范围。（b）PMDP透镜的光学显微镜照片，其尺寸为200 μm。（c）6×6 PMDP超构透镜阵列照片。（d）基于MIID的原型机，尺寸为3.5 cm×3 cm×2.5 cm。（f）最后拼接得到USAF 1951分辨率板的成像结果

这里需要特别强调的是，这个超构透镜阵列还是以偏振复用器为主，它根据两种不同的圆偏振光具有不同的相位分布，如图3（a）中蓝色和红色框所示。这样它就可以消除在透镜阵列（4f系统）成像过程中的视场盲区。这个MIID器件很好地展示出超构表面在偏振和相位调控上的灵活性优点。在经过简单的图像拼接处理后，人们可以获得一个大视场、高分辨率的成像。图3（f）展示了USAF1951分辨率板的像，其视场范围达到毫米量级，而分辨率保持在1.7 μm（受限于1.67 μm的CMOS像素尺寸）。相关工作以Metalens-integrated compact imaging devices for wide-field microscopy为题发表在Advanced Photonics第6期。