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数据库Light | 平场超构物镜赋能亚微米定量相位成像
Banner本文由论文作者团队撰稿
导读
近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士团队在超构透镜定量相位成像领域取得新进展，通过融合部分相干照明与双面单片平场超构物镜，配合混合传递函数相位恢复方法，突破了以往基于超构表面定量相位显微技术分辨率低、成像视场小等核心瓶颈，实现了高分辨、高精度、大视场的定量相位成像。
该成果展示了平场超构物镜对各种透明样本（微透镜阵列、相位分辨率板、透明生物样本等）的大视场高分辨相位成像效果，验证了其泛用性，为开发高性能小型化的定量相位显微系统开辟了重要的技术路径。
该成果以“Plan meta-objective for sub-micron quantitative phase imaging”为题发表于Light: Science & Applications。
相位显微成像技术是观察透明无染色生物样本不可或缺的技术，从细胞培养、筛选与分析到光学薄膜、晶圆检测等工业领域都有广泛的应用。传统相位成像系统依赖传统体块光学元件，体积笨重，系统复杂且昂贵，较大地限制了相位成像系统的大规模部署。
超构表面是一种由亚波长特征尺寸的纳米结构排列而成的平面衍射元件，能够实现高自由度的多维光场操控。研究者们充分利用超构表面多功能光场调控的特点，基于光强传输方程、剪切干涉等相位恢复方法，展示了多种小型化定量相位成像系统的技术方案。现有基于超构表面的小型化定量相位显微技术主要通过取代传统成像透镜（此时超构表面即为超构透镜），利用超构透镜的色散能力或偏振复用能力，获取求解相位所需的原始数据。然而，基于超构透镜的相关技术走向实际应用仍面临两大关键挑战：空间分辨率低与有效视场范围有限。首先，随着数值孔径增大，现有单片超构透镜的单色像差会急剧增加，大幅限制了分辨率与有效视场。其次，现有相位恢复方法依赖高空间相干性，根本上限制了系统的光学分辨率。如何在小型化定量显微成像系统的同时，依旧保持高性能的成像效果，是当前研究亟待突破的技术难关。
针对上述挑战，研究团队提出了一套创新解决方案，其核心在于部分相干照明系统与单片双面的超构透镜架构，并配合混合传递函数的相位恢复方法。具体为利用超构物镜自身的色散变焦能力，在部分相干照明下，采集两幅对称离焦的图像，配合混合传递函数相位恢复方法即可获得高分辨的定量相位成像
图1：a 平场超构物镜定量相位成像方法示意图。 b 目前基于超构表面的定量相位成像分辨率比较图。
单片双面平场超构物镜拓宽有效视场。针对单片超构透镜数值孔径和视场的相互制衡问题，研究团队开发了单片双面超构透镜工艺。如图2 a所示，在一片石英衬底的两面各制备了一片直径500微米的氮化硅超构透镜。该结构保持了系统的集成度与机械稳定性。利用光线追迹的方法，优化了镜组的单色像差。图2 b展示了实测的具有衍射极限分辨率的视场范围内的点扩散函数，与设计结果高度一致。除此之外，实验对比了超构物镜（红色标记）与普通单片超构透镜（蓝色标记）不同视场的点扩散函数的斯特列尔比。可见，相较于单片超构透镜，超构物镜的衍射极限分辨率的视场范围提升了一倍以上，且具有较好成像性能的视场也得到了极大地提升。这一架构具有较高的设计自由度，可以针对不同的数值孔径、放大倍数进行优化。
图2：a 单片双面平场超构物镜设计示意图与实物图。b 仿真模拟与测量表征的不同视场位置的点扩散函数；单片超构透镜与平场超构物镜不同视场点扩散函数的斯特列尔比对比图
部分相干照明提升成像分辨率。显微成像系统包括成像和照明系统两个部分。以往超构透镜显微成像研究大多忽视了对于照明系统的设计，仅采用高空间相干度的照明光（准直照明），从而在根本上限制了成像系统的分辨率。研究团队引入了部分相干照明，将显微成像系统的等效数值孔径拓展为物镜与照明数值孔径之和，理论上可以将成像分辨率提升至非相干衍射极限。部分相干照明下，超构物镜对分辨率板的成像效果如图3所示。超构物镜实现了设计衍射极限视场范围（200微米）内半宽488纳米的分辨能力，并在440微米视场范围实现了较小畸变的平场成像效果。
图3：部分相干照明平场超构物镜全视场成像效果和高分辨率线对局域放大图像
高分辨混合传递函数相位成像方法。对于一般的定量相位成像而言，成像系统的硬件决定了系统的极限分辨率，而软件即相位恢复方法决定相位成像效果是否能达到该极限分辨率。以往基于超构表面相位成像研究的相位恢复方法依赖高空间相干度照明，无法处理部分相干照明下的相位传输问题，难以恢复出高分辨、高精度的相位信息。研究团队引入混合传递函数方法，即融合光强传输方程和弱物体传递函数方法，确保恢复的相位信息具有较为准确的低频包络和清晰的高频细节。研究团队分别在相位分辨率板、微透镜阵列、透明细胞三种样品上展示了高分辨、高精度定量相位成像效果（图4和图5），并测量表征得到该技术的相位测量精度为0.06个波长，横向分辨率半宽为488纳米。
图4：部分相干照明下微透镜阵列和相位分辨率板相位成像图b。微透镜中的比例尺为20微米，相位分辨率板中的为8微米
图5：部分相干照明下，混合传递函数和光强传输函数对HeLa细胞，体外培养人宫颈上皮细胞和癌细胞相位成像对比图。图中的比例尺都为20微米
总结与展望
这项研究展示了超构显微物镜的高分辨大视场的定量相位成像功能，整体成像光路总长小于6毫米，分辨率达到半宽488纳米，平场成像范围到达440微米，突破了传统小型化定量相位成像系统在分辨率与视场方面的关键瓶颈。该研究引入的部分相干照明和超构物镜的小型化显微系统架构，不单为具有实用性能的集成化相位成像系统提供了可行的技术路线，也为基于超构表面的集成成像系统提供了优化照明设计以提升系统性能这一极具潜力的创新思路。定量相位成像技术在获得透明样本丰富结构信息的同时，也提供了样本的一些固有物理属性如光学厚度、细胞的干质量等，有助于辅助快速智能的细胞筛选和疾病诊断等生物医疗应用。
论文信息
该论文通讯作者为南京大学现代工学院李涛教授和陈晨副研究员，第一作者是现代工学院博士研究生王骏溢，该工作得到祝世宁院士的悉心指导。
Wang, J., Sun, J., Li, J. et al. Plan meta-objective for sub-micron quantitative phase imaging. Light Sci Appl 15, 71 (2026).
https://doi.org/10.1038/s41377-025-02099-z
编辑：赵阳
审核：丁帅
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