近期，中科院上海光机所空天激光技术与系统部司徒国海研究员和郭劲英副研究员团队，基于超构表面偏振敏感的特性，设计了一种基于入射线偏振态连续变焦的超构透镜，实现了系统紧凑且稳定的定量相位成像器件的设计。相关成果以 “Varifocal Metalens for Compact and Accurate Quantitative Phase lmaging”为题，发表于ACS Photonics。
相位成像对于弱吸收，强散射的物体探测有重要意义，它能够反映透明物体的局部厚度和结构的折射率信息，在生物显微、材料检测等领域具有重要的应用。在众多的相位测量技术中，光强传输方程(TIE)是一种非干涉的定量相位成像方法，它具有抗干扰能力强、系统简单、计算方便、无需相位解包裹的优点，在生物层析、自适应光学、X射线衍射成像等领域发挥了重要作用。光强传输方程需要采集一副对焦图像和多幅离焦图像来估计轴向的微分，然后再从轴向微分中获取相位信息。传统的 TIE 通过机械地移动探测器的位置或者使用电控变焦透镜获取多幅强度图像，具有稳定性差和集成度低的缺点。为了实现更加紧凑的成像系统，超表面的复用技术逐渐在该领域中得到应用。超表面是一种人工设计的光场调控器件，通过改变亚波长尺寸的共振单元结构，能够高效地调控光场的相位、振幅、波长、偏振等维度。作为一种高集成度的平面光学器件，其在全息显示、光计算、生物传感、光学成像领域的应用被广泛地研究。
研究团队使用双折射的纳米结构设计了一种基于偏振旋转的连续变焦的超透镜来采集多帧图像，即当入射线偏振光的偏振方向发生旋转时，超透镜的焦距也会发生连续的变化，从而得到在焦和不同程度的离焦图像，图1为对应的工作原理示意图。和其它变焦透镜相比，这种方法不需要对透镜本身施加任何外加驱动力，而是将变焦特性转换到照明光源的偏振调控上，因而具有稳定性高的优势。
图1.基于偏振敏感变焦超透镜的定量相位成像示意图
研究团队还设计并加工了直径600 μm，连续变焦范围25 μm的超构透镜。与常规双偏振复用超透镜不同，该偏振复用型的超透镜经过特殊的近似设计，即可达到连续变焦的效果。研究人员对超构透镜的聚焦性能进行了实验上的表征，结果如图2所示。
图2.超构透镜的变焦特性表征。(a) 不同偏振角的光入射下超透镜的聚焦表现， (b) 仿真和实验中的焦距变化曲线，以及实验测得的超透镜在 0-90° 偏振光照射下的聚焦效率。 (c) 在 TE 偏振（0°）照明下超透镜的焦斑强度和半高全宽。
研究团队将连续变焦超透镜应用于定量相位成像，通过改变照明光的偏振态，在不移动探测器的情况下获取多幅离焦图像。基于高阶 TIE 算法，研究团队能够准确且稳定地对透明物体进行定量相位成像。实验结果表明，无论是具有大梯度相位还是缓变相位的物体，均能获得良好的重建效果。
该基于偏振的连续变焦超构透镜具有紧凑、轻量化、系统简单稳定且精度高的优势，在高集成无标记显微器件上有着广阔的应用潜力。
图3.超构透镜的变焦特性表征。(a)定量相位成像实验装置示意图，BF: 带通滤波器,LP:线偏振片,PO:相位物体,ML:超透镜,OL:物镜,TL:管透镜。(b)在0-90°偏振光照射下，经实验测量和校准的相位物体强度图像。偏振 45°下的图像为聚焦图像，其他图像为离焦图像。(c)定量相位物体重建结果对比，左：白光干涉仪测得真值，中：多平面方法重建的相位结果，右：传统双平面解耦方法。(d) 虚线中相位分布的比较和残差。 MF：多平面方法，TF：双平面方法，MR：多平面残差，TR：双平面残差。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acsphotonics.4c00658