Xin Ye, Xiao Qian, Yuxin Chen, Rui Yuan, Xingjian Xiao, Chen Chen, Wei Hu, Chunyu Huang, Shining Zhu, Tao Li. Chip-scale metalens microscope for wide-field and depth-of-field imaging[J]. Advanced Photonics, 2022, 4(4): 046006
作为人类观测微观世界的重要工具，显微镜在科学研究、生物医学诊断、工业应用等领域均得到了广泛的应用。在显微技术的发展过程中，除了追求超高的成像分辨率，人们对器件的小型化集成度的要求也越来越高。此外，对于显微镜宽视场、大景深、高通量等综合性能的需求，也随着观测对象种类和应用场景的拓展而与日俱增。
传统的光学显微镜大多由折射光学器件和精密的机械结构所组成，虽然它已经在百余年的时间尺度中得到了充分的发展，并且趋于成熟，但受制于单轴的成像特性以及折射元件自身的体积，系统整体笨重而庞大。此外，传统光学显微镜在其成像过程中总是存在视场和景深的限制。一种可能用于集成成像系统的方法是使用平面衍射透镜，但是它们的成像效率低下且质量不佳。
近年来，无透镜成像对成像技术的发展带来了革新，并从技术层面有效验证了研制高度集成成像器件的可行性。然而，该技术高度依赖后处理算法，成像过程往往需要大量的计算资源和额外的先验知识，并且时间成本相对较高。而且它对照明条件要求较高，成像系统的整体的高度集成化小型化也面临挑战。
超构透镜，从本质上来说，是一种由亚波长结构单元构成的超构表面，它为高度集成及超轻的成像系统提供了新的可能。基于超构表面对光场强大的调控能力，人们曾提出过一种超构透镜集成宽场成像的方法，该方法可以打破传统视场的局限。不过遗憾的是，该方法的成像质量，往往会因受到背景噪声的影响而表现较差。此外，之前所展示出视场仍然小于相同成像分辨率下的传统显微镜成像视场。
全芯片超构透镜阵列赋能的偏振集成超构成像器件（PMID）及其实现的高集成便携式显微镜系统（PMS）：（a）全芯片超构透镜阵列与CMOS图像传感器集成实物照及其放大照片；（b）尺寸仅为3×3.5×4 cm3的高集成便携式显微镜系统，它集成了PMID，样品架，液晶起偏器和LED光源；（c）PMS观察到的松树茎横截面样本的宽场显微照片，其视场范围4×4 mm2并保持分辨率为1.74 μm。其蓝框部分为传统显微镜CCD记录的视场范围。
近期，来自南京大学的李涛教授研究团队在前期的研究基础上，研制出一种集成了偏振复用与滤波功能的超构透镜阵列成像芯片，较于之前的超构透镜成像效果而言，有效地滤除背景噪声，极大提升了成像质量。最终，研究人员研制出了一个厘米量级的超小型超构显微镜，获得高像质的显微成像，其成像视场达到传统商用显微镜同分辨率下视场范围的4-7.5倍。相关成果以“Chip-scale metalens microscope for wide-field and depth-of-field imaging”为题发表在Advanced Photonics 2022年第4期。
该器件直接将氮化硅超构透镜和偏振薄膜集成到图像传感器上，构建高集成显微成像芯片。在对单个超构透镜成像特性进行了系统的表征之后，研究人员进一步设计了一种特殊的偏振复用的超构透镜阵列。针对嵌入式偏振滤波膜不可调的特点，所采用的偏振复用的聚焦相位是同时针对同偏振和正交偏振而专门设计，这样可以保证单偏振态输出下两套聚焦透镜成像视场互补。基于此，他们探索出了一种具有高成像质量，且具备宽视场、大景深特性的显微成像技术，实现了4×4 mm2的视场，1.74 μm的分辨率（受限于图像传感器像素尺寸）， 大约200 μm的景深（对应于450-510 nm的工作波长范围）。
值得强调的是，该显微成像器件在同分辨率下获得了较传统光学显微镜4-7.5倍大的视场范围。这也是国际上首次报道的超构显微成像视场超过了传统商用显微镜。基于超构透镜本身大色散特性，该器件还能够通过扫描照明光源波长，在保证宽视场的同时获得大景深成像。进一步，这个芯片式的超构透镜成像器件被集成为一个超小型便携式显微镜系统，体积仅3×3.5×4 cm3，约为传统显微镜体积的千分之一，支持使用者在不同的应用环境下展开观测工作。此外，该便携式显微镜的优异成像性能，也已经在通过对一系列生物样本的观测后得到了验证。
总的来说，这个芯片式显微镜在超小型化成像设备中，表现出了极有竞争力的优势。该工作无疑为集成光学成像系统的设计提供了一个优秀的范例，同时也将通过超构技术为传统光学成像器件带来一场巨大的变革。
作者简介：
叶欣，南京大学现代工程与应用科学学院光学工程专业博士研究生。主要开展超构表面的设计及超构透镜集成成像的研究。目前在Adv. Photonics, Optica, Light. Sci. Appl.等学术期刊上发表数篇文章。作为技术负责人参加第八届中国国际“互联网 ”大学生创新创业大赛和第十三届“挑战杯”中国大学生创业计划竞赛分别获得江苏省一等奖和江苏省银奖。
李涛，南京大学教授，现代工程与应用科学学院副院长。南京大学首批“登峰人才支持计划”入选者，科技部中青年科技创新领军人才，国家自然科学优秀青年基金获得者，香港“王宽诚”教育基金获得者。2005年博士毕业于南京大学凝聚态物理专业，曾先后赴新加坡南洋理工大学、香港浸会大学做访问学者。研究领域是微纳光子学、超构材料及光子集成。曾先后四次获得“中国光学十大进展”，荣获2017年科学中国人年度人物，2021年国际科学组织Vebleo科学家奖。在国际会议做邀请报告五十余次，在Nature及其子刊, Phys. Rev. Lett., Light Sci. Appl., Adv. Photonics, Optica等刊物发表论文一百余篇，被引用5000余次，H指数37。目前担任中国激光杂志社，Chinese Optics Letters，Science Bulletin等刊物编委，中国材料学会超构材料分会理事，江苏省光学学会理事，江苏省微纳光子学专委会副主任，全国光学青年论坛副主席等。
信息来源于中国激光杂志社微信公众号。
