基于超构透镜的大视场集成显微成像装置

在追求更高成像分辨率的同时，人们还希望显微镜变得更小型、更便携、通量更高。尽管如今显微镜的成像性能已经有了很大改善，传统显微镜仍然有体积大、部件沉重，且多采用反射式设计的缺点。超构透镜有望解决这一问题：超构透镜超薄、超轻、结构扁平，且近来针对超透镜的大量研究，已提高了其成像效率、视角以及偏振性能。

南京大学南京大学现代工程与应用科学学院的李涛教授说：“小巧的超构透镜有望使传统光学设备小型化，甚至可能彻底革新传统光学设备。”尽管目前已有不少致力改进超构透镜的研究，然而多数的研究仅将超构透镜作为传统反射透镜的替代品。若想将超构透镜用于实际应用中，仍需想办法把超构透镜与超紧凑的光学设备相结合。

李教授的课题组在一块CMOS图像传感器前增加超构透镜，制备出了一台硬币大小的成像设备。此项研究结果发表于Advanced Photonics。据文中描述，基于超构透镜的集成成像装置（metalens-integrated imaging device, MIID）结构紧凑，成像距离约为数百微米。借由简单的图像拼接过程，可获得大视角、高分辨率的宽视场显微成像图像。

图1 基于超构透镜的集成成像装置（图源：Xu et al., doi 10.1117/1.AP.2.6.066004）

袖珍显微镜系统

基于超构透镜的集成成像装置包括多块毫米大小、由硅材料制成的超构透镜，排列在6x6的阵列中。虽然组合了多块透镜，但由于单个透镜的尺寸仅为200微米左右，成像距离仍然相对较小（约为500微米）。文章作者表示，可将阵列扩展至厘米量级，覆盖整块CMOS传感器。

超构透镜阵列具有偏振多路复用的功能，分别有两种不同圆偏振的相位分布。李教授表示，这样的设计可确保消除盲区。

作者希望，新型基于超构透镜的集成成像装置将为袖珍显微镜成像系统开辟新时代。文章承认设备成像质量仍有待改进，并提出了一系列解决方案，例如采用低损耗的氮化镓、氮化硅材料等。文章作者预期，未来仍将持续改进基于超构透镜的显微成像技术。

原文见："metalens-integrated compact imaging devices for wide-field microscopy," Adv. Photon. 2(6), 066004 (2020), doi 10.1117/1.AP.2.6.066004。