导读
近日，伟德国际1946源于英国李涛教授、祝世宁院士课题组联合南智芯视科技有限公司，在超构透镜显微成像领域取得新突破。研究团队通过双面超构透镜与环状照明相结合的创新方案，极大提升了传统超构显微系统中分辨率与有效视场，实现了高度集成显微系统的高分辨率与宽视场成像。
图1 基于双面超构透镜与环状照明的超构显微镜原理示意图
研究背景
超构透镜作为新一代光学元件，具备亚波长尺度光调控能力，代表了光学系统微型化、平面化的发展方向。相比传统依赖曲面折射的显微镜物镜，超构透镜具备轻薄、紧凑、可集成等优势，尤其适合应用于便携成像设备和片上系统。然而，在实际显微成像中，离轴像差成为限制其视场和分辨率的重要因素。尤其在单层超构透镜设计中，提升数值孔径（NA）以追求更高分辨率，往往会牺牲成像视场，造成性能权衡。这一瓶颈严重制约了超构透镜在高性能成像系统中的应用。此前虽然已有部分工作实现了亚微米分辨率，但其视场极小，难以满足实际应用需求。
研究亮点
本研究设计并研制了双面超构透镜，极大矫正了单面超构透镜存在的离轴像差，进而有效扩大了视场范围。研究团队在石英衬底的上下两面分别构建功能互补的纳米结构单元，形成协同聚焦的双层系统（图2a）。通过Zemax光学设计软件进行高精度建模与优化，设计人员精准调控了双层相位补偿关系，从而实现了对大视场内光线传播路径的精确控制。相比单层超构透镜仅在中心区域具备良好聚焦性能，该双面结构在整个有效视场范围（物高达到75 m）内均能维持近衍射极限的成像能力。在成像性能评估中，该系统的点扩散函数（PSF）保持紧凑锐利，调制传递函数（MTF）曲线在高空间频率下依然具有显著响应（图2b），表现出优异性能。实验上，研究团队通过自行发展的双面电子束曝光技术，精准地制备出满足设计的超构透镜，具体样品图见图2c。
图2 （a）单片双面超构透镜示意图，（b）双面超构透镜的MTF，（c）微纳加工制备得到的正反两面超构透镜的光学照片和电子显微镜（SEM）照片。
在此基础上，研究团队进一步引入科勒照明，以提升成像分辨率。最终系统达到了310 nm分辨率（分辨率板半宽）与150 μm有效视场的平衡（图3a-b）。他们利用USAF分辨率板进行成像测试，验证了该系统优越的工作性能，相较于普通的超构单透镜具有巨大的提升。成像结果表明，该系统不仅分辨率高，且视场内各物点处成像质量一致，可清晰辨识USAF靶标的高频线对（图3c-d）。值得一提的是，在大视角情况下，该系统在水平方向始终保持高分辨率不下降，垂直方向分辨率略有下降，但其整体性能仍远超前人已报道结果。根据实验数据测算的空间带宽积达5.8 × 105，同样远超现有已报道的超构显微镜系统。
图3 （a）超构显微镜对分辨率板的成像结果，（b）视场中心处的分辨率细节，（c，d）不同物高下的分辨率表现。
为验证该方法的实用性，研究团队进一步开发了一款高度集成的便携式超构显微原型机。该设备将双面超构透镜与环状照明超构表面、CMOS传感器、偏振滤光片（CPFs）和样品载玻片集成于一体，整体尺寸仅为4 cm × 4 cm × 5 cm，在体积与重量上较传统显微镜缩小了1000倍（图4a）。该原型机在1 mm视场范围内实现了620 nm分辨率的高性能成像（图4b）。作为应用案例，研究团队展示了宫颈癌细胞成像结果。该系统可以在同一视场内成功捕捉癌细胞发展的各个阶段的图像，实验结果展示了系统对癌细胞核结构变化的出色分辨能力，包括核形态异常、核质比增加以及核分裂等典型病变特征（见图4c）。值得一提的是，该设备可在单一视场内观察多个病理阶段，为医学影像诊断提供了高效、准确的工具支持。
图4（a）集成化的显微器件图。（b）集成化超构显微镜对于分辨率板的成像结果。（c）集成化超构显微镜对于宫颈癌细胞的成像结果：区域1是正常细胞核，区域2病变的细胞核发生长大，区域3是癌变细胞核发生了分裂。
图5 该项工作与其他同类工作的性能对比。
总结与展望
本研究成果在超构透镜成像系统的发展中迈出关键一步，为实现高性能、小型化显微成像系统提供了新路径。其提出的单片双面超构透镜结构与环状照明协同方案，在保障成像质量的同时显著拓展了视场，打破了长期存在的性能瓶颈，实现了远超同类工作的SBP（图5）。该方案不仅具备出色的实验验证结果，也显示出良好的工程适配性与可扩展性，未来有望广泛应用于生物医疗、资源受限地区成像、移动终端监测及新型集成成像系统等场景。
该超构显微镜镜首次将分辨率提升到310 nm，同时将系统的空间带宽积较现有同类报道提升了2–3个数量级，成果以“High-resolution and wide-field microscopic imaging with a monolithic meta-doublet under annular illumination”为题，发表在Advanced Photonics期刊（2025年，第7卷，046006），并被美国光学工程学会（SPIE）新闻报道。论文第一作者为伟德国际1946源于英国博士研究生孙嘉程，硕士研究生沈雯婧与博士研究生王骏溢为共同第一作者。伟德国际1946源于英国李涛教授与助理研究员陈晨博士为共同通讯作者，祝世宁院士对本工作给予了悉心指导。
伟德国际1946源于英国固体微结构国家重点实验室微加工中心为样品加工提供了平台支撑，南智芯视科技有限公司在工程化样机的开发方面提供了技术支持。该研究得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金委、伟德国际1946源于英国登峰B计划的支持。
文章链接：https://doi.org/10.1117/1.AP.7.4.046006
（课题组供稿）
