偏振不敏感高數值孔徑金屬透鏡：推動寬視場實時超分辨成像技術邁入新階段

    在光學顯微鏡領域，分辨率始終是制約科研進展的核心技術指標。自瑞利準則確立以來，傳統光學系統的分辨率被限定在0.61λ/NA（其中λ為工作波長，NA為數值孔徑）的范圍內，這一技術瓶頸使活細胞動態觀測、瞬時粒子追蹤等前沿研究面臨諸多限制。盡管超分辨率技術已發展出近場成像、遠場熒光成像等分支，但近場成像依賴復雜的近場操作流程，遠場熒光成像需對樣品進行預處理，二者均難以滿足科研場景中“無創、實時、寬視場”的核心需求。

    近日，南開大學陳烈裕團隊在《OpticsLetters》（2024年第49卷第7期）發表的研究成果，為突破上述技術困境提供了創新性解決方案。該團隊設計的偏振不敏感高數值孔徑（NA=0.8）超振蕩金屬透鏡，首次實現“單發寬視場”模式下的實時超分辨率成像，顯著提升了遠場無標記成像技術的綜合性能，為光學成像領域的發展開辟了新路徑。

    傳統超振蕩透鏡的技術局限：成像速度與視場范圍的協同難題

    超振蕩透鏡（SOL）作為遠場無標記超分辨成像技術的重要研究方向，其焦斑可突破常規衍射極限，理論上能達到0.38λ/NA以下，且無需依賴熒光標記或近場探測手段。然而，此前已報道的高數值孔徑超振蕩透鏡多采用“逐點掃描”模式開展成像工作，此類模式類似于相機逐像素拍攝，導致成像速度大幅受限；即便部分研究嘗試擴展視場范圍，也常因高數值孔徑透鏡固有的嚴重離軸像差，使視場被局限在極小范圍（僅為數個波長），或因數值孔徑不足，無法同時兼顧成像分辨率與觀測范圍。

    “實現活細胞實時成像，需同步解決高分辨率、寬視場、高成像速度三大核心問題。”團隊負責人指出。基于這一需求，研究團隊突破傳統超振蕩透鏡的設計框架，從“波前調控”與“結構優化”兩個維度出發，構建了全新的超構透鏡設計體系。

    核心設計創新：實現高分辨率與寬視場的協同優化

    陳烈裕團隊的研究突破，關鍵在于將“優化算法”與“超構表面結構”深度融合，針對性解決高數值孔徑透鏡的離軸像差與偏振敏感性問題，具體體現為三大設計創新點：

    1.多約束優化模型：構建分辨率與像差的協同調控機制

    團隊摒棄傳統超透鏡單一相位的設計思路，提出基于耗盡算法與角譜理論的優化模型。研究人員將透鏡相位剖面分解為“普通相位（φord）”與“優化二元相位（φopt）”兩部分：普通相位負責實現基礎對焦功能，優化二元相位則通過20個獨立相位環的二進制調控（相位值為0或π），精準補償離軸像差。

    為保障透鏡綜合性能，該模型設置了嚴格的多約束目標函數：不僅要求軸上、軸外（離軸5λ處）的光斑半峰全寬（FWHM）小于衍射極限的90%，還需將旁瓣比（最大旁瓣強度與中心峰強度的比值）控制在25%以內，同時確保離軸點的峰值強度不低于軸上點的60%。這種“全參數平衡”的設計思路，使透鏡在寬視場范圍內仍能維持穩定的超分辨成像性能。

    2.非晶硅納米柱結構：打造高透射率與寬相位覆蓋的載體

    透鏡的物理結構設計同樣經過系統優化：研究團隊采用非晶硅（aSi）納米柱陣列，以六邊形晶格排列在二氧化硅（SiO?）襯底上——該結構可最大化“占空比”，提升光的利用效率。通過調整納米柱直徑（范圍為50300nm），能夠實現02π的完整相位覆蓋，且透射率超過90%，顯著高于傳統金屬超構表面；同時，500nm的晶格尺寸與560nm的納米柱高度，確保了透鏡在850nm工作波長下的結構穩定性與光學性能穩定性。

    3.偏振不敏感特性：突破偏振依賴的技術限制

    傳統高數值孔徑透鏡常因光傳輸特性，在線偏振入射條件下出現“不對稱焦斑”，嚴重影響成像一致性。而該團隊設計的超振蕩金屬透鏡，在x偏振與y偏振入射場景中，寬視場（05λ離軸范圍）內的光斑均保持近似圓對稱，x方向與y方向的光斑尺寸差異可忽略不計——這一特性使透鏡無需額外配置偏振調控模塊，能夠適用于更復雜的自然光成像場景。

    性能驗證：分辨率、視場與精度的全面突破

    為驗證透鏡性能，研究團隊采用“數值模擬與FDTD（有限差分時域）仿真”相結合的方法，通過對比普通超透鏡與新設計超振蕩透鏡的成像效果，凸顯了后者的顯著優勢：

    分辨率突破瑞利極限：優化后的透鏡數值孔徑為0.8，成像分辨率達到瑞利判據的0.85倍——以850nm工作波長計算，其最小分辨間距可降至約0.58λ，顯著優于傳統透鏡0.64λ的衍射極限。

    寬視場無像差：在10λ（約8.5μm）的視場范圍內，離軸5λ處的峰值強度仍能保持軸上值的52%以上，旁瓣比控制在30%以內，徹底解決了高數值孔徑透鏡的離軸像差問題。

    成像精度顯著提升：針對200像素以上的復雜物體，新設計透鏡的成像精度較未優化超透鏡提升一個數量級；在雙納米孔成像測試中，即便兩個納米孔的中心間距縮小至0.85Rc（其中Rc=0.763λ，為傳統透鏡的分辨極限），新設計透鏡仍能實現清晰分辨，且各位置的成像對比度均滿足瑞利準則的20%要求——而普通超透鏡在離軸2.5λ處已出現明顯像差，無法分辨亞衍射間距的納米孔。

    應用前景：賦能多領域前沿研究

    該研究成果不僅突破了光學成像的技術瓶頸，更為前沿科研領域提供了實用化解決方案，主要應用方向包括：

    活細胞實時成像：由于無需熒光標記且具備非接觸無創特性，該透鏡可直接觀測活細胞內細胞器的動態變化（如線粒體運動），其寬視場與實時成像能力，使科研人員能夠捕捉活細胞內的瞬時生理過程。

    瞬時運動粒子追蹤：針對布朗運動粒子、微流控系統中的流體粒子，傳統掃描式成像易遺漏動態信息，而該透鏡的“單發成像”模式可實現毫秒級動態捕捉，為流體力學、膠體科學等領域的研究提供有力工具。

    多波長適配潛力：研究團隊指出，通過選用具備高折射率或高導電性的納米材料，該透鏡的工作波長可擴展至近紅外、中紅外波段，有望應用于生物組織深層成像、半導體缺陷檢測等領域。

    結語：超構透鏡引領光學成像技術革新

    陳烈裕團隊的這項研究，不僅填補了“高數值孔徑+寬視場+實時超分辨”的技術空白，更充分體現了超構表面在光學調控中的靈活性——通過優化算法與結構設計的協同創新，傳統光學系統中“分辨率、視場、速度”的技術三角難題得到有效解決。未來，隨著制備工藝的不斷成熟，這種偏振不敏感金屬透鏡有望集成至便攜式顯微鏡中，推動遠場無標記超分辨成像技術從實驗室走向臨床診斷、工業檢測等實際應用場景，為生命科學、材料科學等領域的發展注入新動能。