口袋型显微镜:超构透镜集成成像技术新进展

发布者:袁敏敏发布时间:2020-11-17

近日,祝世宁院士、李涛教授研究组在超构透镜集成成像器件研究方面取得新进展。他们通过将加工的全介质超构透镜和CMOS图像传感器集成在一起,充分发挥超构透镜特有的超轻、超薄、平面结构、设计灵活的优势,构成硬币大小的显微镜,通过简单的图像拼接方法,打破空间带宽积的限制,实现了大视场、高分辨的显微成像。成果以“Metalens-integrated compact imaging devices for wide-field microscopy”为题发表在《advanced photonics》(Adv. Photon. 2(6), 066004 (2020))。南京大学李涛教授为该论文的通讯作者,现代工学院17级博士生徐贝贝和李涵梦为共同第一作者。


1、超构透镜阵列集成CMOS成像芯片示意图及样品照片。


研究背景

当前,成像技术已经在高分辨率、高图像质量、宽波段等方面取得了优异的性能。这些技术大多建立在成熟的折射光学元件(如曲面透镜、内反射棱镜等)的基础上,这些元件的使用使得整个光学系统体积大、重量大、不便于携带。得益于纳米加工技术的发展,超构透镜为提高光学系统的集成度、保持系统分辨率提供了可能的解决方案。在过去的几年里,超构透镜的成像性能方面取得了令人振奋的进展,包括效率的提高、宽带消色差、视场的拓宽、偏振功能等,这些都标志着超构透镜向实际应用的迈进。其中,超薄、超轻和平板的结构是这种新颖光学设计的核心优势。然而,在以往的大多数工作中,超构透镜只是作为传统折射透镜的替代品,采用的都还是传统光路系统,并没有显示出其紧凑和高度集成的优势。


创新研究:

本工作提出的超构透镜集成的成像器件(MIID)将超构透镜直接集成在图像传感器上组成结构紧凑的成像器件。在不增加工作距离的情况下(500 um),利用超构透镜的灵活设计,采用偏振复用的相位设计,组成6×6透镜阵列构成的毫米量级的非晶硅超构透镜(每个透镜尺寸为200微米)。随着加工技术进步,该超构透镜阵列有望进一步扩展到整个CMOS传感器的厘米尺寸。研究人员进一步将该MIIDLED照明光源、偏振片等元件整合组装出一个高度集成的显微成像系统原型机,尺寸为3.5×3×2.5 cm3(见图2d))。

需要特别强调的是这个超构透镜阵列的偏振复用性能。它根据两种不同的圆偏振光设计了两套互相嵌套的聚焦相位分布,从而可以通过切换偏振消除在透镜阵列(4f系统)等大成像过程中的视场盲区。这个MIID器件很好的展示出超构表面在偏振和相位调控上的灵活性优点。在经过简单的图像拼接处理后,人们可以获得毫米/厘米级视场、微米/亚微米级分辨率的高便携式显微成像。

2、利用偏振复用的超构透镜阵列的集成成像器件(MIID)。(a)偏振复用双相位(PMDP)的超构透镜在x-y平面的相位分布示意图。蓝色和红丝分别表示左旋和右旋圆偏振光对应的聚焦相位区域。虚线表示的各自透镜有限的视场范围。(bPMDP透镜的光学显微镜照片,其尺寸为200微米。(c6×6 PMDP超构透镜阵列照片。(d)基于MIID的原型机,尺寸为3.5×3×2.5 cm3。(f)最后拼接得到USAF 1951分辨率板的成像结果。


该工作为打破空间-带宽积约束的宽场显微成像提供了一种全新的方案,它充分利用了超构透镜所具有超薄、超轻、高灵活的偏振调控优势。虽然该成像性能还处于发展中,但这里展示MIID原型机预示着“口袋型成像系统”时代的到来,我们相信将来超构技术会有更加迷人的应用。该工作被SPIE News以“Ultracompact metalens microscopy breaks FOV constraints”为题进行亮点报道。报道链接:https://spie.org/news/ultracompact-metalens-microscopy-breaks-fov-constraints

该项目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、南京大学登峰人才计划等项目的支持以及固体微结构物理国家重点实验室微加工中心的技术支持。


(南京大学现代工程与应用科学学院李涛研究组供稿)