據中國激光雜志社網，于2025年09月15日報道，150μm視場+310nm分辨率，超構透鏡性能極限再次刷新。
超構透鏡顯微技術，兼顧大視場與高分辨率成像特點難關重重
隨著現代光學成像理論的不斷演進，以及微納加工技術的不斷發展，超構透鏡正在以其超薄、輕量化及平面化的獨特架構，逐步重塑微型光學設備的發展格局。相較于傳統曲面透鏡成像方式，超構透鏡能夠通過亞波長尺度的元原子陣列，對光場的相位、偏振及振幅等參數進行精準調控，加之其較小的尺寸及體積，天然具備與微電子設備相集成的優勢。在小尺寸、高性能及精調控等優勢的加持下，超構透鏡技術也正在為便攜式成像設備、片上光譜儀及醫療內窺鏡等應用領域，帶來一場全新的技術革命。
盡管超構透鏡成像已被公認為成像技術的未來，但當該技術延伸至顯微成像領域后，研究人員也逐漸發現了其性能瓶頸：在顯微成像光學系統中，分辨率與視場(FOV) 是直接衡量其成像性能的關鍵性指標，但二者之間存在固有權衡關系（空間帶寬積），想要提升分辨率，就無可避免地需要對視場范圍進行壓縮，反之亦然。更為關鍵的是，超構透鏡所引入的軸外像差十分顯著，這也導致邊緣視場中的成像質量急劇下降。在上述技術難題的重重限制之下，現有超構透鏡只能在極小視場內實現高分辨率（部分設計雖可達到亞微米量級分辨率，但視場大小僅數十微米），或者需要在拓寬視場時犧牲分辨率。因此，最終的成像結果難以與傳統顯微鏡相媲美，這極大地限制了其顯微成像應用的進一步發展。
為破解傳統超構透鏡顯微成像視場與分辨率難以兼顧的技術難題，南京大學現代工程與應用科學學院、固體微結構國家重點實驗室與南智芯視科技有限公司(MetaCV) 所組成聯合研究團隊，在南京大學李濤教授帶領下展開聯合研究。該團隊提出了一種全新的技術方案，該方案示意圖如圖1所示：通過雙面超構透鏡與環形照明技術的有機結合，能夠在緊湊的結構中實現兼具高分辨率與寬視場特點的顯微成像。該工作所開發的超透鏡顯微鏡系統，不僅創下了 310 nm 分辨率與 150 μm 視場的紀錄；更通過集成設計，實現了1 mm 視場、620 nm 分辨率的便攜式原型機，為微型化、高性能顯微成像設備的發展開辟了全新發展路徑。因具備極強的科學指導意義與應用價值，這一研究最終以“High-resolution and wide-field microscopic imaging with a monolithic meta-doublet under annular illumination”為題，發表于Advanced Photonics 2025年第4期。
雙面超構透鏡協同環形照明設計，突破顯微成像桎梏就在此時
對于傳統單個超構透鏡而言，軸外像差是制約其視場大小的關鍵因素。當光線從偏離超構透鏡光軸方向入射時，單透鏡的相位調制能力不足以維持高光束質量聚焦，并將引起焦點彌散、成像模糊等嚴重的問題。在本文所介紹的工作中，研究人員受傳統透鏡組設計的啟發，首次提出并實現了“雙面超構透鏡”結構：將兩片超構透鏡分別置于二氧化硅基底的兩側，通過對其相位分布的協同優化，實現對軸外像差的有效抑制（如圖2所示）。具體而言，該雙面透鏡由“物側超構透鏡 (Matelens-Ⅰ)”與“像側超構透鏡 (Matelens-Ⅱ)”所組成：物測超構透鏡直徑450 μm，承擔主要的聚光功能，其相位分布陡峭，確保對入射光的高效聚焦；像側超構透鏡的相位分布曲線則相對平緩，其主要扮演“相位矯正器”的角色，專門補償由單個超構透鏡所引入的單色像差（如球差、彗差等）。為驗證該設計的效果，該團隊首先進行了仿真模擬，并得到了雙面透鏡在不同大小視場內，調制傳遞函數曲線均高于單個超構透鏡的結論，進而有效證明了其對細節特征的捕捉能力。
在超構透鏡制備過程中，該團隊選擇以氮化硅作為超構透鏡納米鰭的主要材料，該材料在470 nm波段下的折射率約為2.0，光學損耗較低，且與CMOS工藝兼容，便于大規模制造。納米鰭則設計為高橫縱比的方形結構（高度1 μm，周期300 nm）。此外，該團隊還創新地結合“傳播相位層”與“幾何相位層”，通過圓偏振濾光片過濾未調制的背景光，進而顯著提升系統的信噪比。除了超構透鏡本身，照明方式也對成像質量有著較為明顯的影響。在傳統正入射照明方式下，樣品散射的零級衍射光集中在透鏡孔徑中心，僅低階衍射光能被收集，導致高頻細節丟失；而斜入射的環形照明可改變零級衍射光的方向，使更高階的衍射光（攜帶高頻信息）進入透鏡孔徑，相當于擴展了系統的“k空間”帶寬，從而提升分辨率。在此基礎上，該團隊設計了基于科勒照明原理的環形照明系統，該系統由LED 光源、三個聚焦透鏡與兩個可變光闌組成，通過調節視場光闌的大小，可靈活控制照明的數值孔徑。
設計完成后，該團隊在470 nm的波長下，基于USAF分辨率板，對該系統的成像能力進行了驗證。驗證結果如圖3所示，成像結果表明，該系統能夠清晰分辨第10組第5個元素，對應分辨率達到了310 nm，這是目前超構透鏡顯微成像領域的最高記錄。同時，在150 μm直徑的視場內，該系統還能夠保持一致的分辨率（即使是在物高70 μm的邊緣區域，仍然能夠分辨第10組第2個元素），這一表現也遠超傳統單個超構透鏡。此外，通過計算，該系統的空間帶寬積達到了5.8×105，比傳統超構透鏡顯微鏡高約2-3個量級。
為滿足實際應用中對大視場與便攜性的需求，同時驗證該系統的可靠性，該團隊進一步開發了一款緊湊型原型機（如圖4所示）：該設備將雙面超構透鏡與環狀照明超構表面、CMOS傳感器、偏振濾光片及樣品載玻片集成一體，整體尺寸僅為4 cm×4 cm×5 cm，相較于傳統顯微鏡，其尺寸縮小約1000倍。通過對雙面超構透鏡孔徑的擴大，其成像視場被拓展至直徑1 mm，分辨率保持在620 nm的較高水平。在對宮頸癌細胞的成像驗證中，該原型機清晰捕獲到了不同癌變階段的細胞特征，進而充分展示了其在病理診斷中的實用價值。
總結與展望
在本文所介紹的工作中，研究人員提出了一種“硬件優化+照明創新”的超構透鏡顯微鏡協同優化設計思路：通過雙面超構透鏡解決視場大小問題，通過環形照明突破分辨率瓶頸，并通過二者的有機結合，打破超透鏡顯微成像的固有局限。與依賴計算重構的無透鏡成像技術相比，這種純光學解決方案無需復雜的后處理，避免了時間與計算資源的過度消耗，更適合實時成像場景。未來，該工作將有望為便攜式生物監測、微創手術成像以及可穿戴設備等多個領域內，實現較為重要的應用突破。
期刊介紹
Advanced Photonics（AP）創刊于2019年，是一本重點關注新興光學領域的基礎與應用研究成果、聚焦最新及快速發展的光學與光子學學科的國際OA期刊。期刊入選中國科協高起點新刊計劃，2021年被SCI收錄，最新影響因子18.8，中國科學院期刊分區列一區，入選中國科技期刊卓越行動計劃二期。創刊以來AP發表了眾多國際頂尖學者的高水平學術論文，并以采訪、新聞、評論等豐富的形式，展現了光學與光子學領域的最近進展。姊妹刊Advanced Photonics Nexus（APN）接收AP的快速轉投和自然來稿，致力于成為既發表基礎研究類又發表工程應用類文章的綜合性大刊,2024年入選中國科協高起點新刊計劃，2025年獲首個影響因子6，2024年入選中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊項目。
