近期，中科院上海光機所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部司徒國海研究員和郭勁英副研究員團隊，基于超構(gòu)表面偏振敏感的特性，設(shè)計了一種基于入射線偏振態(tài)連續(xù)變焦的超構(gòu)透鏡，實現(xiàn)了系統(tǒng)緊湊且穩(wěn)定的定量相位成像器件的設(shè)計。相關(guān)成果以 “Varifocal Metalens for Compact and Accurate Quantitative Phase lmaging”為題，發(fā)表于ACS Photonics。

相位成像對于弱吸收，強散射的物體探測有重要意義，它能夠反映透明物體的局部厚度和結(jié)構(gòu)的折射率信息，在生物顯微、材料檢測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。在眾多的相位測量技術(shù)中，光強傳輸方程(TIE)是一種非干涉的定量相位成像方法，它具有抗干擾能力強、系統(tǒng)簡單、計算方便、無需相位解包裹的優(yōu)點，在生物層析、自適應(yīng)光學(xué)、X射線衍射成像等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。光強傳輸方程需要采集一副對焦圖像和多幅離焦圖像來估計軸向的微分，然后再從軸向微分中獲取相位信息。傳統(tǒng)的 TIE 通過機械地移動探測器的位置或者使用電控變焦透鏡獲取多幅強度圖像，具有穩(wěn)定性差和集成度低的缺點。為了實現(xiàn)更加緊湊的成像系統(tǒng)，超表面的復(fù)用技術(shù)逐漸在該領(lǐng)域中得到應(yīng)用。超表面是一種人工設(shè)計的光場調(diào)控器件，通過改變亞波長尺寸的共振單元結(jié)構(gòu)，能夠高效地調(diào)控光場的相位、振幅、波長、偏振等維度。作為一種高集成度的平面光學(xué)器件，其在全息顯示、光計算、生物傳感、光學(xué)成像領(lǐng)域的應(yīng)用被廣泛地研究。

研究團隊使用雙折射的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種基于偏振旋轉(zhuǎn)的連續(xù)變焦的超透鏡來采集多幀圖像，即當(dāng)入射線偏振光的偏振方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)時，超透鏡的焦距也會發(fā)生連續(xù)的變化，從而得到在焦和不同程度的離焦圖像，圖1為對應(yīng)的工作原理示意圖。和其它變焦透鏡相比，這種方法不需要對透鏡本身施加任何外加驅(qū)動力，而是將變焦特性轉(zhuǎn)換到照明光源的偏振調(diào)控上，因而具有穩(wěn)定性高的優(yōu)勢。

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圖1.基于偏振敏感變焦超透鏡的定量相位成像示意圖

研究團隊還設(shè)計并加工了直徑600 μm，連續(xù)變焦范圍25 μm的超構(gòu)透鏡。與常規(guī)雙偏振復(fù)用超透鏡不同，該偏振復(fù)用型的超透鏡經(jīng)過特殊的近似設(shè)計，即可達到連續(xù)變焦的效果。研究人員對超構(gòu)透鏡的聚焦性能進行了實驗上的表征，結(jié)果如圖2所示。

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圖2.超構(gòu)透鏡的變焦特性表征。(a) 不同偏振角的光入射下超透鏡的聚焦表現(xiàn)， (b) 仿真和實驗中的焦距變化曲線，以及實驗測得的超透鏡在 0-90° 偏振光照射下的聚焦效率。 (c) 在 TE 偏振（0°）照明下超透鏡的焦斑強度和半高全寬。

研究團隊將連續(xù)變焦超透鏡應(yīng)用于定量相位成像，通過改變照明光的偏振態(tài)，在不移動探測器的情況下獲取多幅離焦圖像�；�于高階 TIE 算法，研究團隊能夠準確且穩(wěn)定地對透明物體進行定量相位成像。實驗結(jié)果表明，無論是具有大梯度相位還是緩變相位的物體，均能獲得良好的重建效果。

該基于偏振的連續(xù)變焦超構(gòu)透鏡具有緊湊、輕量化、系統(tǒng)簡單穩(wěn)定且精度高的優(yōu)勢，在高集成無標記顯微器件上有著廣闊的應(yīng)用潛力。

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圖3.超構(gòu)透鏡的變焦特性表征。(a)定量相位成像實驗裝置示意圖，BF: 帶通濾波器,LP:線偏振片,PO:相位物體,ML:超透鏡,OL:物鏡,TL:管透鏡。(b)在0-90°偏振光照射下，經(jīng)實驗測量和校準的相位物體強度圖像。偏振 45°下的圖像為聚焦圖像，其他圖像為離焦圖像。(c)定量相位物體重建結(jié)果對比，左：白光干涉儀測得真值，中：多平面方法重建的相位結(jié)果，右：傳統(tǒng)雙平面解耦方法。(d) 虛線中相位分布的比較和殘差。 MF：多平面方法，TF：雙平面方法，MR：多平面殘差，TR：雙平面殘差。

原文鏈接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00658