近期，中科院上海光機(jī)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(tuán)隊(duì)，基于超構(gòu)表面偏振敏感的特性，設(shè)計(jì)了一種基于入射線偏振態(tài)連續(xù)變焦的超構(gòu)透鏡，實(shí)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(jì)。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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)、系統(tǒng)簡單、計(jì)算方便、無需相位解包裹的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)傳輸方程需要采集一副對焦圖像和多幅離焦圖像來估計(jì)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(jī)械地移動(dòng)探測器的位置或者使用電控變焦透鏡獲取多幅強(qiáng)度圖像，具有穩(wěn)定性差和集成度低的缺點(diǎn)。為了實(shí)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(jì)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(jì)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(tuán)隊(duì)使用雙折射的納米結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shí)，超透鏡的焦距也會(huì)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(dòng)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(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)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(jì)，即可達(dá)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中的焦距變化曲線，以及實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度和半高全寬。

研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)探測器的情況下獲取多幅離焦圖像。基于高階 TIE 算法，研究團(tuán)隊(duì)能夠準(zhǔn)確且穩(wěn)定地對透明物體進(jìn)行定量相位成像。實(shí)驗(yàn)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(biāo)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測量和校準(zhǔn)的相位物體強(qiáng)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