導(dǎo) 讀

光場(chǎng)同時(shí)包含了振幅和相位信息。然而由于光頻段的電磁波振動(dòng)頻率遠(yuǎn)超光電探測(cè)器的響應(yīng)速度，普通成像系統(tǒng)僅能記錄光場(chǎng)的振幅信息，相位信息無(wú)法被直接探測(cè)。光場(chǎng)相位信息可以揭示物質(zhì)內(nèi)在的物理化學(xué)屬性或 為成像系統(tǒng)的像差矯正提供支撐，因此定量相位測(cè)量技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像、三維面形測(cè)量、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。為獲取光場(chǎng)相位信息，傳統(tǒng)干涉測(cè)量系統(tǒng)存在光路復(fù)雜、受環(huán)境震動(dòng)和激光散斑噪聲干擾嚴(yán)重的問(wèn)題，新興的計(jì)算相位成像技術(shù)通常需要依賴多幀測(cè)量或目標(biāo)場(chǎng)景的先驗(yàn)信息。

針對(duì)以上難題，清華大學(xué)精儀系光電工程研究所楊原牧副教授課題組提出利用一種基于半導(dǎo)體工藝制造的單層“超構(gòu)透鏡”（metalens）替代傳統(tǒng)相機(jī)鏡頭組（圖1），通過(guò)在亞波長(zhǎng)尺度靈活設(shè)計(jì)超構(gòu)表面結(jié)構(gòu)單元，構(gòu)造空間、偏振復(fù)用的成像系統(tǒng)點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)，將復(fù)振幅光場(chǎng)信息編碼在光強(qiáng)中并由偏振相機(jī)接收，結(jié)合偏振相移剪切干涉和相位重建算法，構(gòu)建了一套新體制緊湊、魯棒的復(fù)振幅光場(chǎng)成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在LED光源照明下，通過(guò)單次拍攝確定性地獲取目標(biāo)場(chǎng)景的復(fù)振幅光場(chǎng)信息。

該成果近日以“Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens”（基于單層超構(gòu)透鏡的快照式確定性復(fù)振幅成像）為題發(fā)表在Science Advances上。

圖1：基于普通透鏡的成像系統(tǒng)和超構(gòu)透鏡的復(fù)振幅成像系統(tǒng)

本工作的完成單位為清華大學(xué)精密儀器系、精密測(cè)試技術(shù)與儀器全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。精儀系博士研究生李鎏和博士后王帥為共同第一作者，通訊作者為楊原牧副教授。精儀系曹良才教授、王文會(huì)副教授、博士后趙峰、張逸欣、聞順、柴惠超、高云暉為論文工作出了重要貢獻(xiàn)。本研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金和清華大學(xué)國(guó)強(qiáng)研究院的資助。

該復(fù)振幅超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)和工作原理如圖2所示。超構(gòu)透鏡由硅基納米天線陣列構(gòu)成，口徑為2毫米。通過(guò)將矩形納米柱的傳播相位與通過(guò)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的幾何相位相結(jié)合，可以獨(dú)立調(diào)制左旋和右旋圓偏振入射光的透射相位。通過(guò)結(jié)合空間復(fù)用和偏振復(fù)用，在偏振相機(jī)上同時(shí)記錄目標(biāo)物體沿x和y方向的剪切干涉圖像，可以解算出目標(biāo)物體沿x和y方向的相位梯度圖像，并進(jìn)一步重構(gòu)出完整的復(fù)振幅光場(chǎng)信息。該方法繼承了傳統(tǒng)干涉測(cè)量技術(shù)相位測(cè)量精度高的優(yōu)勢(shì)，且系統(tǒng)極其緊湊、受環(huán)境震動(dòng)影響較小，不存在激光散斑噪聲。

圖2：基于超構(gòu)透鏡的復(fù)振幅成像系統(tǒng)工作原理圖 

基于超構(gòu)透鏡的緊湊型復(fù)振幅成像系統(tǒng)如圖3A所示。為驗(yàn)證系統(tǒng)的相位測(cè)量能力，用其表征了形貌不規(guī)則的紫外光膠的表面高度，結(jié)果如圖3B所示。該方法與商用白光干涉儀測(cè)量結(jié)果高度符合，同時(shí)其單次測(cè)量耗時(shí)僅10 毫秒。該超構(gòu)透鏡也可以作為獨(dú)立的快拆模塊與標(biāo)準(zhǔn)顯微鏡系統(tǒng)集成來(lái)觀察微觀物體。如圖3D-E所示，該系統(tǒng)測(cè)量的不同高度的定量相位分辨率靶標(biāo)的結(jié)果與白光干涉儀高度一致。此復(fù)振幅成像顯微鏡也可用于活細(xì)胞的無(wú)標(biāo)記觀察，同時(shí)提供強(qiáng)度和相位信息，如圖3F-G所示。

圖3：復(fù)振幅成像系統(tǒng)的應(yīng)用演示

此外，由于復(fù)振幅圖像可以在單幀拍攝中獲得，因此該系統(tǒng)可被用于記錄三維面形的快速動(dòng)態(tài)演化過(guò)程或者用于運(yùn)動(dòng)細(xì)胞無(wú)標(biāo)記觀察。作為示例，本工作中分別演示了對(duì)空氣擾動(dòng)下的紫外光膠的表面形貌演化過(guò)程的記錄以及對(duì)運(yùn)動(dòng)的草履蟲(chóng)細(xì)胞的觀測(cè)，如圖4所示。

圖4：動(dòng)態(tài)復(fù)振幅成像系統(tǒng)的應(yīng)用演示

本工作利用了單層超構(gòu)透鏡極致的空間和偏振復(fù)用能力，可以通過(guò)單次拍攝確定地重建復(fù)振幅光場(chǎng)。該系統(tǒng)的集成化和高魯棒性使其非常適合于空間受限的成像場(chǎng)景，如內(nèi)窺鏡和快速移動(dòng)目標(biāo)的便攜式即時(shí)醫(yī)療診斷。此外，其有望為光學(xué)像差校正和光學(xué)頻段的遠(yuǎn)場(chǎng)超分辨成像提供新的思路。

論文信息

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl0501

轉(zhuǎn)自中國(guó)光學(xué)