基于色散超构透镜的定量相位成像技术

近日，南京大学李涛教授、祝世宁院士研究组研发了一种基于色散超构透镜的定量相位成像的高集成超构显微镜。该工作是基于光传输强度方程（TIE）技术，利用超构透镜自身色散的波长扫描获得变焦，无需任何机械移动即可采集高精度TIE相位成像，并在微透镜阵列、透明生物样本等样品上验证了该显微镜的定量相位成像效果。该研究成果以“Quantitative phase imaging with a compact meta-microscope”为题于2024年4月8日发表在《自然》杂志社新刊发的npj Nanophotonics上。

对于透明生物组织或细胞等透明样本的成像是显微成像技术的研究重点之一。针对这类样本的成像技术中，无标记显微成像技术能够将透明样本与周边环境的折射率对比度转换为成像图案的强度对比度，很好地弥补了荧光或染色技术需要外源性标记物或样本标记流程繁琐的缺陷，提供了一个低光毒性、操作简便的解决方案。无标记显微成像技术中基于全息干涉或TIE的定量相位重建方法能完整地反映样本的结构信息，赋能细胞监测、分割分类等应用。

其中，TIE方法可以在部分相干光照明下工作，能消除激光成像带来的散斑噪声，也能更好地兼容传统显微镜平台。TIE相位重建的核心在于拟合光强沿着传输方向的微分，并通过TIE给出的轴向微分与相位之间的关系求解出焦面光场的相位。因此，为了实现高精度的轴向微分估计，TIE方法需要采集多幅过焦点图像来完成数值拟合。传统TIE方法大都通过物像面的机械移动来获得多幅过焦点图像。这些机械移动组件与传统成像元件使TIE成像系统变得复杂且笨重，限制了TIE方法在即时医疗或一些对系统便携性有需求的特殊应用场景中的应用。

该研究中，研究者首先引入了按几何相位设计的超构透镜这种超轻超薄的成像元件，其构成单元在420 - 480 nm的波长范围内都具有较高的偏振转换效率(图2a)，对应超构透镜在此波长范围内具有较高的衍射效率，并实测了加工的2mm超构透镜(图2b)在420 - 480 nm范围内7个波长处的波长变焦效果与成像效果(图2c, d)，其中450 nm为中心波长。

图a, b超构透镜单元结构偏振转换效率随波长的变化曲线与加工的2 mm超构透镜的实物图、SEM图与光学显微图。c, d超构透镜波长变焦实测截面光场图与对应波长处对焦的成像效果。

接着，研究人员超构透镜对微透镜阵列进行了定量相位成像测试，表征了基于色散超构透镜的TIE定量相位重建的准确度。实验中固定物像面，利用超构透镜的波长变焦拍摄了7张过焦点图像。图3a为中心波长450 nm处拍摄的对焦图像，图3b为偏离中心波长的离焦图像。基于采集的7张过焦点图像与多平面TIE方法，研究者成功重建了微透镜阵列焦面光场的相位分布(图3c)。在微透镜材料折射率已知的情况下，相位分布即对应着微透镜阵列的面型。因此，研究者用AFM测量了微透镜的真实面型，并将之与重建的面型进行了对比(图3d)。可见，重建面型与真实面型基本吻合，但在微透镜边缘这些相位梯度较大的地方会出现重建误差(最大误差约0.03个波长，即15 nm)。图3e, f为基于重建相位进行远场衍射得到的不同衍射面的光强分布与实测的微透镜透射光场光强分布。可见两者几乎完全一致，进一步验证了重建相位的准确度。

图 a, b 超构透镜在固定物像面时，通过扫描波长拍摄的微透镜阵列图像。c重建的焦面相位图像。d重建面型与AFM实测面型的对比图。e, f 基于重建相位得到的远场衍射光强分布与实测的微透镜阵列的透射光场光强分布。

最后，研究人员将超构透镜与CMOS图像传感器进行集成。得益于超构透镜超薄的特点与无需移动物像面的波长扫描变焦能力，研究者大幅缩减了TIE成像模组的体积(整体尺寸为长36mm、宽36mm、高14mm)，并测试了其对透明生物细胞的相位成像效果。图4c, e分别为中心波长处集成超构显微镜拍摄的Hela细胞与4T-1细胞的对焦图像，图4d, f为对应重建出的相位图像。较强度图像，相位图像携带着更丰富的细胞结构信息，验证了该方案在生物相关方向应用的可行性。

图a, b集成显微镜的实物图与结构示意图，其中CPF代表圆偏振检偏膜。c, e对应中心波长处拍摄的Hela细胞与4T-1细胞的对焦图像。d, f对应重建的相位图像。

该工作不仅为定量相位成像系统的小型化提供了一种新方案，也为定量相位成像技术在更广泛场景中的应用带来了新的可能。未来的研究中可以进一步提升相位成像的分辨率，提升综合性能，构建完全小型化的集成相位显微镜。

审核编辑：黄飞