導 讀

光場同時包含了振幅和相位信息。然而由于光頻段的電磁波振動頻率遠超光電探測器的響應速度，普通成像系統(tǒng)僅能記錄光場的振幅信息，相位信息無法被直接探測。光場相位信息可以揭示物質內在的物理化學屬性或 為成像系統(tǒng)的像差矯正提供支撐，因此定量相位測量技術在生物醫(yī)學成像、三維面形測量、自適應光學等領域被廣泛應用。為獲取光場相位信息，傳統(tǒng)干涉測量系統(tǒng)存在光路復雜、受環(huán)境震動和激光散斑噪聲干擾嚴重的問題，新興的計算相位成像技術通常需要依賴多幀測量或目標場景的先驗信息。

針對以上難題，清華大學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體工藝制造的單層“超構透鏡”（metalens）替代傳統(tǒng)相機鏡頭組（圖1），通過在亞波長尺度靈活設計超構表面結構單元，構造空間、偏振復用的成像系統(tǒng)點擴散函數，將復振幅光場信息編碼在光強中并由偏振相機接收，結合偏振相移剪切干涉和相位重建算法，構建了一套新體制緊湊、魯棒的復振幅光場成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在LED光源照明下，通過單次拍攝確定性地獲取目標場景的復振幅光場信息。

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

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

本工作的完成單位為清華大學精密儀器系、精密測試技術與儀器全國重點實驗室。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。本研究得到了國家自然科學基金、中國博士后科學基金和清華大學國強研究院的資助。

該復振幅超構透鏡的設計和工作原理如圖2所示。超構透鏡由硅基納米天線陣列構成，口徑為2毫米。通過將矩形納米柱的傳播相位與通過旋轉產生的幾何相位相結合，可以獨立調制左旋和右旋圓偏振入射光的透射相位。通過結合空間復用和偏振復用，在偏振相機上同時記錄目標物體沿x和y方向的剪切干涉圖像，可以解算出目標物體沿x和y方向的相位梯度圖像，并進一步重構出完整的復振幅光場信息。該方法繼承了傳統(tǒng)干涉測量技術相位測量精度高的優(yōu)勢，且系統(tǒng)極其緊湊、受環(huán)境震動影響較小，不存在激光散斑噪聲。

圖2：基于超構透鏡的復振幅成像系統(tǒng)工作原理圖 

基于超構透鏡的緊湊型復振幅成像系統(tǒng)如圖3A所示。為驗證系統(tǒng)的相位測量能力，用其表征了形貌不規(guī)則的紫外光膠的表面高度，結果如圖3B所示。該方法與商用白光干涉儀測量結果高度符合，同時其單次測量耗時僅10 毫秒。該超構透鏡也可以作為獨立的快拆模塊與標準顯微鏡系統(tǒng)集成來觀察微觀物體。如圖3D-E所示，該系統(tǒng)測量的不同高度的定量相位分辨率靶標的結果與白光干涉儀高度一致。此復振幅成像顯微鏡也可用于活細胞的無標記觀察，同時提供強度和相位信息，如圖3F-G所示。

圖3：復振幅成像系統(tǒng)的應用演示

此外，由于復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態(tài)演化過程或者用于運動細胞無標記觀察。作為示例，本工作中分別演示了對空氣擾動下的紫外光膠的表面形貌演化過程的記錄以及對運動的草履蟲細胞的觀測，如圖4所示。

圖4：動態(tài)復振幅成像系統(tǒng)的應用演示

本工作利用了單層超構透鏡極致的空間和偏振復用能力，可以通過單次拍攝確定地重建復振幅光場。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景，如內窺鏡和快速移動目標的便攜式即時醫(yī)療診斷。此外，其有望為光學像差校正和光學頻段的遠場超分辨成像提供新的思路。

論文信息

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

轉自中國光學