圖1. 制備的超構(gòu)透鏡和表征結(jié)果

近日，北京理工大學(xué)物理學(xué)院量子技術(shù)研究中心姚旭日、趙清團(tuán)隊(duì)在緊湊型單像素成像領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地利用超構(gòu)透鏡，成功實(shí)現(xiàn)了單光子級別的顯微單像素成像。相關(guān)成果以“Miniaturized Single-Photon Level Computational Complex Field Imaging System via Meta-Optics”為題發(fā)表于《Advanced Optical Materials》(Adv. Optical Mater. 2025, Volume 13, Issue 32)，并被選為期刊封面文章。

該研究工作得到了北京理工大學(xué)青年學(xué)者研究基金和德國Helmholtz Association (Solar Technology Acceleration Platform)等項(xiàng)目的大力支持。北京理工大學(xué)為本工作的第一完成單位，合作單位包括昆明物理研究所和德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院(KIT)。論文第一作者為北京理工大學(xué)物理學(xué)院與昆明物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生王煜昊。通訊作者為北京理工大學(xué)姚旭日副教授、趙清教授，以及德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院金琦浩博士與Uli Lemmer教授。 北京理工大學(xué)博士研究生邵崇武、李世劍博士后，卡爾斯魯厄理工學(xué)院張喬爽博士、Judith K. Hohmann博士、Alban Muslija工程師，以及中科院微電子所李志剛博士在超構(gòu)透鏡制備和成像算法方面做出了重要貢獻(xiàn)。

超構(gòu)透鏡是一種基于亞波長微納結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的光學(xué)器件，能夠?qū)鈭龅恼穹?、相位和偏振等參?shù)進(jìn)行靈活而精確的調(diào)控。相比傳統(tǒng)光學(xué)元件，超構(gòu)透鏡具有重量輕、厚度薄、易于集成等顯著優(yōu)勢，已成為光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。盡管其應(yīng)用已被廣泛探索，但將其與單像素成像技術(shù)結(jié)合、構(gòu)建緊湊型低光照成像系統(tǒng)的研究仍有待深入。

該研究提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于超構(gòu)透鏡的緊湊型單像素顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)將超構(gòu)透鏡和主動照明單像素成像進(jìn)行高效集成。相比于傳統(tǒng)的顯微成像系統(tǒng)和其它單像素顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)從DMD到PMT的距離尺寸大約為4厘米。

圖2. 基于超構(gòu)透鏡的緊湊型顯微成像系統(tǒng)

通過超構(gòu)透鏡高分辨率結(jié)構(gòu)投影，以及單像素成像在低光條件下的魯棒性，該系統(tǒng)成功重建最小尺寸為12微米的目標(biāo)圖像，其結(jié)構(gòu)相似度(SSIM)為0.7993，峰值信噪比(PSNR)為18.05eB。尤為突出的是，該系統(tǒng)在極微弱光照(1.7光子/像素/秒)的單光子級別條件下，成功重建了17.5微米的目標(biāo)圖像。

圖3. 低光照下微小目標(biāo)圖像重建

此外，該系統(tǒng)除了高質(zhì)量重建生物樣本的振幅圖像外，還對相關(guān)樣本的相位圖像進(jìn)行重建，使得該系統(tǒng)具有對復(fù)雜光場成像的功能。

圖4. 細(xì)胞振幅和相位圖像重建

該研究工作展示了一個(gè)高度緊湊且具備單光子靈敏度的顯微成像平臺，在活細(xì)胞低光照成像以及未來便攜式顯微成像設(shè)備開發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

審核編輯 黃宇