基于超构透镜的快照式复振幅成像

光场同时包含了振幅和相位信息。然而由于光频段的电磁波振动频率远超光电探测器的响应速度，普通成像系统仅能记录光场的振幅信息，相位信息无法被直接探测。光场相位信息可以揭示物质内在的物理化学属性或 为成像系统的像差矫正提供支撑，因此定量相位测量技术在生物医学成像、三维面形测量、自适应光学等领域被广泛应用。为获取光场相位信息，传统干涉测量系统存在光路复杂、受环境震动和激光散斑噪声干扰严重的问题，新兴的计算相位成像技术通常需要依赖多帧测量或目标场景的先验信息。

针对以上难题，清华大学精仪系光电工程研究所杨原牧副教授课题组提出利用一种基于半导体工艺制造的单层“超构透镜”（metalens）替代传统相机镜头组（图1），通过在亚波长尺度灵活设计超构表面结构单元，构造空间、偏振复用的成像系统点扩散函数，将复振幅光场信息编码在光强中并由偏振相机接收，结合偏振相移剪切干涉和相位重建算法，构建了一套新体制紧凑、鲁棒的复振幅光场成像系统。该系统能够在LED光源照明下，通过单次拍摄确定性地获取目标场景的复振幅光场信息。

该成果近日以“Single-shot deterministic complex amplitude imaging with a single-layer metalens”（基于单层超构透镜的快照式确定性复振幅成像）为题发表在Science Advances上。

图1.基于普通透镜的成像系统和超构透镜的复振幅成像系统

本工作的完成单位为清华大学精密仪器系、精密测试技术与仪器全国重点实验室。精仪系博士研究生李鎏和博士后王帅为共同第一作者，通讯作者为杨原牧副教授。精仪系曹良才教授、王文会副教授、博士后赵峰、张逸欣、闻顺、柴惠超、高云晖为论文工作出了重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金、中国博士后科学基金和清华大学国强研究院的资助。

该复振幅超构透镜的设计和工作原理如图2所示。超构透镜由硅基纳米天线阵列构成，口径为2毫米。通过将矩形纳米柱的传播相位与通过旋转产生的几何相位相结合，可以独立调制左旋和右旋圆偏振入射光的透射相位。通过结合空间复用和偏振复用，在偏振相机上同时记录目标物体沿x和y方向的剪切干涉图像，可以解算出目标物体沿x和y方向的相位梯度图像，并进一步重构出完整的复振幅光场信息。该方法继承了传统干涉测量技术相位测量精度高的优势，且系统极其紧凑、受环境震动影响较小，不存在激光散斑噪声。

图2.基于超构透镜的复振幅成像系统工作原理图