导 读
光场同时包含了振幅和相位信息。然而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，普通成像系统仅能记录光场的振幅信息，相位信息无法被直接探测。光场相位信息可以揭示物质内在的物理化学属性或 为成像系统的像差矫正提供支撑，因此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。为获取光场相位信息，传统干涉测量系统存在光路复杂、受环境震动和激光散斑噪声干扰严重的问题，新兴的计算相位成像技术通常需要依赖多帧测量或目标场景的先验信息。
针对以上难题，清华大学精仪系光电工程研究所杨原牧副教授课题组提出利用一种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），通过在亚波长尺度灵活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，构建了一套新体制紧凑、鲁棒的复振幅光场成像系统。该系统能够在LED光源照明下，通过单次拍摄确定性地获取目标场景的复振幅光场信息。
该成果近日以“Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens”（基于单层超构透镜的快照式确定性复振幅成像）为题发表在Science Advances上。
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
本工作的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器全国重点实验室。精仪系博士研究生李鎏和博士后王帅为共同第一作者，通讯作者为杨原牧副教授。精仪系曹良才教授、王文会副教授、博士后赵峰、张逸欣、闻顺、柴惠超、高云晖为论文工作出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和清华大学国强研究院的资助。
该复振幅超构透镜的设计和工作原理如图2所示。超构透镜由硅基纳米天线阵列构成，口径为2毫米。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，可以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，在偏振相机上同时记录目标物体沿x和y方向的剪切干涉图像，可以解算出目标物体沿x和y方向的相位梯度图像，并进一步重构出完整的复振幅光场信息。该方法继承了传统干涉测量技术相位测量精度高的优势，且系统极其紧凑、受环境震动影响较小，不存在激光散斑噪声。
图2：基于超构透镜的复振幅成像系统工作原理图
基于超构透镜的紧凑型复振幅成像系统如图3A所示。为验证系统的相位测量能力，用其表征了形貌不规则的紫外光胶的表面高度，结果如图3B所示。该方法与商用白光干涉仪测量结果高度符合，同时其单次测量耗时仅10 毫秒。该超构透镜也可以作为独立的快拆模块与标准显微镜系统集成来观察微观物体。如图3D-E所示，该系统测量的不同高度的定量相位分辨率靶标的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所示。
图3：复振幅成像系统的应用演示
此外，由于复振幅图像可以在单帧拍摄中获得，因此该系统可被用于记录三维面形的快速动态演化过程或者用于运动细胞无标记观察。作为示例，本工作中分别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，如图4所示。
图4：动态复振幅成像系统的应用演示
本工作利用了单层超构透镜极致的空间和偏振复用能力，可以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非常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。此外，其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)https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adl0501
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