基于超构透镜的快照式偏振和定量相位成像系统
2026-04-19 21:44:06 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
浙江大学、南京大学与& 8204;国科大杭州高等研究院的联合研究团队提出了一种紧凑型单次曝光成像方案，利用单层超构透镜（Metalens）可同时重建全斯托克斯（Full-Stokes）偏振信息与定量相位信息。
传统的图像传感器本质上仅能探测光强度信息，因而无法捕捉光场中丰富的相位和偏振信息。尽管表征这些参数对于理解物体的本征特性至关重要，但现有多维成像技术往往受限于笨重的光学系统、时序扫描或相干噪声伪影等问题。
据麦姆斯咨询报道，近日，浙江大学、南京大学与国科大杭州高等研究院的联合研究团队提出了一种紧凑型单次曝光成像方案，利用单层超构透镜（Metalens）可同时重建全斯托克斯（Full-Stokes）偏振信息与定量相位信息。该设计利用超构透镜将入射光投射到偏振相机的不同探测区域。通过在各向同性子区域间引入预设焦距偏移，基于光强度传输方程实现了无运动部件的相位重建，同时分离手性偏振态以重建完整的斯托克斯矢量。研究人员利用抑制散斑的LED光源，实验证实了全斯托克斯偏振与定量相位的同步成像能力。这种微型化架构为便携式、实时多维光学传感平台奠定基础。相关研究成果以“Single-shot full-Stokes polarization and quantitative phase imaging via a single-layer metalens”为题发表于npj Nanophotonics期刊。
超构透镜设计和系统概述
图1展示了基于超构透镜的快照式全斯托克斯偏振与定量相位成像系统的示意图。研究人员采用超构单元编码的超构透镜，选择性地将场景信息成像到偏振传感器的四个不同区域。通过对这四个子图像进行处理，可以实现对场景的光强度、相位和偏振信息的完整解码。具体而言，采用图2b所示的四合一超构单元作为超构透镜的基本结构单元，每个子结构如图2a所示。
图1 超构透镜辅助的快照式全斯托克斯偏振与定量相位成像系统示意图
图2 超构透镜设计与制备样品
全斯托克斯偏振重建
研究人员利用图3a的光学装置，评估了该超构透镜系统的全斯托克斯偏振重建能力。LED准直光依次通过780 nm窄带滤光片、线性偏振片（LP）和四分之一波片（QWP），随后入射到直径300 μm的针孔；超构透镜将该针孔成像到偏振传感器的四个子区域上。
图3 全斯托克斯偏振测量
定量相位成像验证
为了验证该超构透镜辅助成像系统的定量相位重建能力，研究人员构建了如图4a所示的光学装置。使用二氧化硅（SiO₂）制备了两种厚度不同的人工相位靶作为测试样品（如图4b）。图4c展示了在传感器90°线性偏振通道下获得的相应的聚焦和离焦光强度图像（分别来自左和右两子区域）。
图4 相位测量结果
多维成像结果
研究人员使用该超构透镜辅助的成像系统对不同样品进行多维成像：（1）研究人员制备了单个各向异性超构表面（Metasurface）样品（400 × 400 μm²），由长度和宽度不等的相同矩形纳米柱周期性阵列组成，作为多维成像的代表性目标，成像结果如图5a所示。（2）研究人员还将超构透镜辅助的成像系统集成至显微成像配置中。图5b展示了单个U2OS细胞重建的光强度、相位和偏振图像。（3）利用该系统的单次曝光特性，可实现活细胞形态动态观测，相关结果如图5c所示。
图5 不同样品的光强度、相位和偏振成像结果，以及活细胞的动态相位重建
总结
综上所述，这项研究提出了一种快照式全斯托克斯偏振和定量相位成像系统，该系统集成了单层超构表面和偏振敏感传感器，可在部分相干LED光源下同时实现全斯托克斯矢量重建和定量相位重建。该超构透镜采用交错式四合一超构单元结构，在实现紧凑、集成化偏振复用的同时，避免了机械扫描和额外光学元件的需求。虽然该设计可兼容相干框架，但研究人员仍选用窄带滤波LED源来抑制散斑噪声和干涉伪影，从而确保高信噪比，以实现稳定可靠的相位和偏振重建。
通过各向异性超构表面样品和活细胞成像实验，这项研究证明了该系统在各向异性超构表面偏振表征、细胞形态无标记监测方面的能力。这项工作为实时、无标记、多维光学成像提供了一种实用且可扩展的方法，在微观结构表征、活细胞动力学观测和生物医学诊断等领域具有潜在的应用价值。此外，与深度学习的集成有望进一步实现智能特征提取、增强相位重建并推动多维数据融合。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44310-026-00122-8
延伸阅读：