光设内参|口袋型显微镜：超构透镜集成成像技术新进展

目前的成像技术已能够实现高分辨力、高成像质量、宽波段，它们大多建立在成熟的折射或反射光学元件的基础上，如透镜、内反射镜等，因此也存在体积大、重量重、携带不便的问题。针对该问题，更紧凑、更轻、更稳定的光学系统是现代应用日益增长的要求。

近年来，在一些新型成像技术中，计算成像技术的发展表明了光学系统的复杂性可以通过舍弃折射透镜来降低。然而，该技术的最终画面质量极大依赖于后处理算法，不可避免地需要耗时的计算资源，有时还需要成像重建的特殊先验知识。

得益于纳米制造技术的发展，超表面作为光学设计的一个新突破，显示了利用亚波长单元控制光的巨大能力，并产生了一些低损耗介质超表面的新奇应用。在这些应用中，超构透镜是最有希望升级现有光学系统的候选材料之一。

在过去的几年中，金属薄膜在效率提高、宽带消色差、视场展宽、偏振功能等方面都取得了令人兴奋的进展，同时也保证了其超薄、超轻、平坦的核心优势，这表明我们离现实应用更近了一步。

然而，在以往的大部分工作中，超构透镜只是作为传统折射透镜的替代品，在传统光学装置中发挥着几乎相同的作用，并没有表现出其独特的整合性，真正集中在紧凑集成方面的工作还是少数。

本文研究团队在SiO2基底上用PB相位设计制造出非晶硅纳米柱，直接将超构透镜集成到CMOS上。这种平面超构透镜集成成像设备（MIID）由于其大色散的特性而具有光谱调焦能力。它打破了无透镜成像无法分辨物体景深的限制。更重要的是，本文研究团队基于此开发了一种超构透镜阵列，以覆盖CMOS图像传感器，实现大视场成像。

为了消除多图像拼接中的盲区，本文研究团队利用偏振复用双相位（针对两个圆偏振态）设计了可以访问两组具有互补图像区域的透镜。该系统仅通过改变偏振而不引入任何机械运动即可实现一个全拼接的大视场图像。

实验结果表明，该方案能够获得分辨力的图像（约1.74 μm，几乎仅受到图像传感器像素的限制），使用毫米级尺度的成像区域（可扩展到整个厘米尺度的CMOS传感器），最终在一个边长约3厘米大小的设备原型中实现。这种超紧凑的显微镜系统有望在高分辨力、大视场和可调DOF成像中应用。

图1 器件结构和超构透镜制造 

（a）MIID的光学装置原理图（b）高度紧凑的MIID的照片。（c）光学显微镜下的俯视图和侧面视图以及制备的直径为200 μm的α-Si超构透镜的SEM图像。

图1(a)显示了成像装置MIID的原理图。使用光学透明胶（OCA）将超构透镜层固定在CMOS图像传感器上，像距v（CMOS图像传感器与超构透镜之间的距离）选取为合适的厚度并使其固定，通过平移台调整物距u即可获得清晰的图像。

图1(b)显示了高度紧凑的MIID的照片（v=500 μm）。采用带滤光片的卤素灯白光光源进行非相干单色照明。超构透镜被设计成一个消球差镜头，以消除特定波长的轴上像差。在这里，作者选择α-Si作为超构透镜材料，其具有高折射率（约4.06），在600nm以上波长的可见光范围内有相对较低的损耗，并且其与CMOS平台具有兼容性。所制备的纳米柱超构透镜直径为200μm，厚度为850nm，衬底为200μm厚的熔融硅。超构透镜的设计波长为630nm，NA约为0.37（通光口径D=200μm, 焦距f=250 μm）。

为避免高阶衍射，矩形纳米柱单元的设计尺寸为80nm×200nm，高度为850nm（与沉积的Si薄膜的厚度相等），呈方形晶格排列，周期为400nm。采用标准电子束光刻和干式蚀刻技术制备超构透镜。超构透镜的光学显微镜图像和扫描电镜（SEM）图像分别如图1(c)所示。

1951年美国空军(USAF)分辨力测试图被用作成像目标。图2(a) 显示了MIID在成像距离为2f，工作波长为630 nm，NA=0.37时，显示分辨力1.74μm的成像效果，如图2(c)所示。在不进行图像放大的情况下，MIID的分辨力受到CMOS图像传感器像素大小（1.67 μm）的限制。

图2(b) 显示了在成像距离v=500μm，工作波长630nm下，NA=0.45（D=200μm，f=200μm）的超构透镜获得的图像。图像的放大倍率约为1.5，分辨力为1.23μm，如图2(d)所示。

通过仔细观察可见，在图2(c)和图2(d)中，垂直线的灰度值对比度要弱得多，很难分辨。这是由于二维CMOS像素的长宽不相等。严格来说，此设备在等尺寸（4f）和放大图像的y轴上仅达到g8e2（1.74μm）和g8e5（1.23μm）的分辨力。

图2在MIID上的单个α-Si超构透镜成像实验结果。

(a)用MIID拍摄的分辨力测试图，超构透镜NA=0.37，成像距离为2f。(b) 用MIID拍摄的分辨力测试图，超构透镜NA=0.45，放大倍数为1.5。(c)a中分辨力测试图的红色虚线框的横线、竖线的强度分布。(d)b中分辨力测试图的红色虚线框的横线、竖线的强度分布。(e)信号、噪声、图像对比度的示意图。左边为a中的横线强度分布，右边为b中的竖线的强度分布。（f）在MIID上带有不同NA值的超构透镜的分辨力。红线是实验数据的拟合曲线，用黑点表示，蓝星表示CMOS图像传感器的像素大小。黑线是衍射极限决定的分辨力。(g) MIID的实测MTF与理论衍射极限MTF绘制。

图3.MIID的光谱变焦。

(a)用MIID拍摄的 1951年USAF分辨力测试图(组6)，波长分别为560、580、600、610、620和630 nm。整个图像表示超构透镜的面积，蓝色虚线圈表示图像的面积。(b)在盖玻片上面和下面印有字符DSL和NJU的双面样本光学图像。比例尺25 μm。(c) MIID在不同波长下拍摄的双面物体图像，在660 nm处获得清晰的NJU，在580 nm处获得DSL。

如图2(e) 所示，根据实验数据，可以得到图2(a) 的信噪比约为19.89 dB，在放大1.5倍的情况下，即图2(b)，其信噪比降低到9.23 dB。此外，图2(a) 的图像质量看起来比图2(b) 好得多，这是因为背景上的图像信号更清晰，这通常是由图像对比度决定的，两幅图的对比度分别为0.33和0.15。

为了系统表征该MIID的成像分辨力，采用4f成像方案对MIID上一系列不同NA的超构透镜的成像效果进行比较，如图2(f) 所示。测量分辨力与理论值之间的差异可能是由于超构透镜材料制作不完善、背景噪声、CMOS图像传感器像素大小有限等原因造成的。

此外，通过斜边法得到了调制传递函数(MTF)，在低空间频率下与理论衍射限制MTF表现出良好的一致性，如图2(g)所示。所测量的MTF与高空间频率衍射极限之间的差异也可能是由于背景噪声和像素大小有限的CMOS传感器。

虽然超构透镜以固定的像距安装在CMOS图像传感器上，但由于金属片的色散较大，通过调整工作波长，即可以轻松实现光学变焦。以前文中设计的超构透镜（在λ=630nm时焦距250um）为例在λ=560、580、600、610、620、630nm的波长下成像。由于超构透镜的色散，在较短的波长下，焦距会变长，从而导致NA降低，实现恒定的成像距离下的系统变焦，因此能够在没有机械运动的情况下通过变焦来获得物体的深度。

为了证明这一功能，在盖玻片的顶部（A侧）和底部（B侧）制备了两个微尺度样品，如图3(b) 所示。本文采用无掩模光刻技术在盖玻片的两侧制备了字符“DSL”和“NJU”，间距为170μm（即盖玻片厚度）。两个物体的整体横向尺寸均为80μm。如图3(c) 所示，在λ=660nm的波长下观察到“NJU”的清晰图像，但“DSL”图像模糊，在λ=580nm则观察到“NJU”的模糊图像。通过切换照明光源的波长来变焦的能力由此得到了证明。

已有若干工作利用单个或两个超构透镜进行像差校正以扩大成像视场的研究。然而，在单轴成像方案中，将超构透镜尺寸增加到宏观尺寸，必然会增加工作距离，这势必削弱超构透镜的超薄、超轻优势。

由于MIID直接安装在CMOS图像传感器上的，因此我们希望其能在较短的工作距离下具获得大的视场，以保持紧凑集成的优势。然而，成像原理限制了单个透镜的尺寸，成像面积非常有限，这极大地阻碍了其实际应用。

为了规避这一限制并获得大视场成像，我们提出了一种用于MIID的超构透镜阵列方案，来获取多个图像并将它们拼接在一起。

由于单个超构透镜的视场较小，只能对部分物体成像，这些图像在4f成像系统中不会重叠。因此，在拼接这些子图像时，会出现盲区，不利于构建完整的图像。幸运的是，超表面的强大功能体现在单个设备中具有多路功能的灵活设计，这可能为弥补视场盲区提供了一个解决方案。

近年来，已有研究团队通过将几何相位和传播相位结合起来，独立控制两种正交偏振态（包括两种圆偏振态）下的相位分布，建立了一种广义偏振复用超表面。为了利用MIID单通道有限的视场覆盖盲区，本文研究团队提出了一种名为PMDP的超构透镜设计方案，即在特定的透镜区域具有交叉相位分布，来满足工作在左圆偏振（LCP）和右圆偏振（RCP）两种不同的聚焦透镜的要求。如图4(a)所示。通过简单的偏振态切换，即可得到两幅独立的图像。

图4 集成PMDP 超构透镜阵列的MIID成像方案。

(a) PMDP超构透镜在x - y平面上的位相分布。蓝方框和红方框分别表示LCP和RCP超构透镜区域的位相分布。相应的虚线框显示了有限的视野。(b)尺寸为200 μm的PMDP超构透镜阵列的光学显微镜图像。(c)制备的6 × 6 PMDP超构透镜阵列的照片。(d) MIID原型照片(大小约3.5cm×3cm×2.5cm)。(e) MIID拍摄的测试图片的原始图像，带有LCP(左图)和RCP(右图)照明。(f)通过一定的图像处理，从(e)的子图像中拼接出图像。(g)放大图像以显示分辨力。

图4(b)显示了尺寸为200μm的PMDP超构透镜阵列的光学显微镜图像。将这些超构透镜排成一个6×6阵列，其中包含6×6超构透镜用于LCP，5×5超构透镜用于RCP。整个镜头区域约为1.2mm×1.2mm，如图4(c) 所示。每个超构透镜的工作波长为630nm，焦距为250μm。为了展示紧凑型集成技术的进步，将整个成像系统打包成一个尺寸约为3.5cm×3cm×2.5cm的小型化原型机。

图4(d) 为原型机的照片，包括LED阵列、LED控制器、偏振器、样品支架和MIID的核心组件。采用PMDP超构透镜阵列从MIID拍摄的LCP和RCP照明的分辨力测试图分别如图4(e) 所示。单色像差引起的图像畸变是肉眼可以观察到的，特别是对于大特征尺寸的物体。

图4(f) 显示了经过畸变校正和背景削弱后结合两组子图像的拼接图像。拼接后的图像显示出与超构透镜阵列相同的宽视场区域（1.2mm×1.2mm），但仍保持了1.74μm的分辨力，如图4(g) 所示。由于子图像的中心和边缘的亮度不均匀，使得拼接后的图像存在一些伪影，如对角线条纹。

目前，本文中的MIID在分辨力和视场上仍低于无透镜成像；然而，MIID为高速大视场显微镜的发展提供了全新的途径。此外，与无透镜成像中那些复杂的后处理算法相比，该系统的成像过程更简单、更省时（作者在笔记本电脑上的处理时间是4秒，而在无透镜成像中，在台式机上需要50秒），这将大大节省计算资源。

作为应用示例，研究团队使用该系统拍摄巴氏涂片的生物标本和蜻蜓翼，如图5所示。与图5左侧的光学显微镜图像相比，拼接后的图像具有良好的一致性和更好的对比度。

图5

(a)巴氏涂片(b)蜻蜓翅的常规光学显微图片(左)和拼接图像(右)

本项目展示了一种集成超构透镜的小型广角显微成像设备，该设备通过直接将超构透镜安装到图像传感器上实现。基于工作在红光波长范围内的硅材料，系统地研究了集成系统的成像性能，包括分辨力、信噪比、成像像差和视场。利用超构透镜的大色散特性，实现了光谱光学变焦和分辨景深成像。

更重要的是，采用偏振复用的超构透镜阵列实现大视场成像，打破了分辨力和视场之间的限制。最后，通过小型化样机验证了该系统的强大集成能力。坦率地说，与传统显微镜和一些计算成像设备相比，目前的MIID的性能还不够好。除了可以通过优化进一步改善拼接伪影外，超构透镜工作效率相对较低的主要原因是背景噪声和受限的成像性能。

幸运的是，采用低损耗材料(如GaN和SiN)和高纵横比纳米柱单元仍然有机会提高超构透镜的效率。此外，未来开发更小像素的CMOS传感器也将增强MIID的性能，以获得更高的分辨力。本文的方法提供了一种利用超表面的超紧凑和大视场成像的新解决方案，这可能会激发更多革命性的紧凑光学设备产生。

参考文献：

Xu B , Li H , Gao S , et al. Metalens-integrated compact imaging devices for wide-field microscopy[J]. Advanced Photonics, 2020, 2(6).383938