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(yīng)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(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，因此定量相位測量技術(shù)在生物醫(yī)學(xué)成像、三維面形測量、自適應(yīng)光學(xué)等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)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(fù)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(shù)通常需要依賴多幀測量或目標(biāo)場景的先驗信息。

針對以上難題，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)相機鏡頭組（圖1），通過在亞波長尺度靈活設(shè)計超構(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)點擴散函數(shù)，將復(fù)振幅光場信息編碼在光強中并由偏振相機接收，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(biāo)場景的復(fù)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(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、精密測試技術(shù)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(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金和清華大學(xué)國強研究院的資助。

該復(fù)振幅超構(gòu)透鏡的設(shè)計和工作原理如圖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。通過將矩形納米柱的傳播相位與通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的幾何相位相結(jié)合，可以獨立調(diào)制左旋和右旋圓偏振入射光的透射相位。通過結(jié)合空間復(fù)用和偏振復(fù)用，在偏振相機上同時記錄目標(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，并進一步重構(gòu)出完整的復(fù)振幅光場信息。該方法繼承了傳統(tǒng)干涉測量技術(shù)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(gòu)透鏡的復(fù)振幅成像系統(tǒng)工作原理圖