周建英教授、李俊韬教授、梁浩文副教授等在光学超构透镜立体显微与三基色数码成像取得系列进展

        光学显微利用光的折射原理，通过大数值孔径汇聚以实现显微放大成像。高质量的物镜需要由多个透镜组成，以消除色差和畸变，从而增加物镜的厚度、成本与系统体积。光学显微成像的广泛应用对物镜提出了轻薄化与多功能化等新要求。超构透镜通过亚波长超构单元结构来调控光场相位、偏振等参数，具有超轻超薄、平面结构等特征,非常有利于高度集成的成像系统。最近，beat365中国唯一官方网站、光电材料与技术国家重点实验室周建英教授、梁浩文副教授、李俊韬教授等利用光学超构透镜灵活多样的设计原理和功能复用的特性，将超构透镜应用于立体显微成像和数码显微成像等方面，取得了一系列新的研究进展。

        立体显微成像技术在医学与生物学等领域具有广泛应用前景。传统体视显微镜受显微物镜制约，成像的分辨率和放大率比较小。目前，商用体视显微镜的数值孔径难以超越0.35。为此，他们设计制备了由两个偏振正交响应的超构透镜在空间上复合而成的体视显微透镜。他们将该超构透镜整合到体视显微镜后，将原体视显微镜的数值孔径由0.15提升至0.4，并实现了对花粉样品和蚕丝样品的立体显微成像，使得体视显微的分辨率突破了传统限制，推动了超构透镜集成化应用的发展。进一步，他们结合自行开发的裸眼3D显示器，无需额外佩戴VR头盔或3D眼镜，实现了实时体视显微图像。该研究成果以“Metalens-based stereoscopic microscope”为题于2022年5月发表于Photonics Research上，beat365中国唯一官方网站硕士生龙勇为第一作者，李俊韬教授和梁浩文副教授为共同通讯作者；该成果还同时申报了相关专利，形成了由关键器件、裸眼3D显示到系统集成的全链条专利池。

                  （a）体视超构透镜成像原理图；                         （b）体视超构透镜示意图；                              （c）体视显微系统实物图

        此外，超构透镜的色差远高于传统折射透镜，宽带消色差性能的提升往往以牺牲成像效率、透镜数值孔径或尺寸为代价。为此，他们针对数码投影、虚拟现实等数码成像应用中只需要透镜针对三基色消色差成像的需求，提出了利用双层超构透镜来实现大数值孔径、大尺寸的红绿蓝三基色消色差超构透镜。该双层结构具有更高的纵向自由度，因此仅用简单的圆柱和方柱超构单元结构即能实现复杂柱形超构单元才能实现的消色差功能，大大降低了超构透镜设计和加工的难度。他们演示的三基色消色差超构透镜数值孔径达0.8，直径达1 mm，并成功应用于微投影图像的动态显微成像。该研究成果以“RGB Achromatic Metalens Doublet for Digital Imaging”为题于2022年5月发表在Nano Letters上，beat365中国唯一官方网站硕士生冯伟彬为第一作者，李俊韬教授和梁浩文副教授为共同通讯作者。

                                        a）双层超构透镜示意图；                    （b）实际超构透镜表面图；                 （c）三基色消色差数码成像图

        上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、广东省基础与应用基础重大项目、广东省重点领域研发计划、广东省杰青等省市项目，以及光电材料与技术国家重点实验室和beat365中国唯一官方网站的大力支持。

文章链接：

1. https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-10-6-1501&id=473214

2. https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.2c00486