近日，南京大學李濤教授、祝世寧院士研究組研發了一種基于色散超構透鏡的定量相位成像的高集成超構顯微鏡。該工作是基于光傳輸強度方程（TIE）技術，利用超構透鏡自身色散的波長掃描獲得變焦，無需任何機械移動即可采集高精度TIE相位成像，并在微透鏡陣列、透明生物樣本等樣品上驗證了該顯微鏡的定量相位成像效果。該研究成果以“Quantitative phase imaging with a compact meta-microscope”為題于2024年4月8日發表在《自然》雜志社新刊發的npj Nanophotonics上。
圖1 基于色散超構透鏡的TIE定量相位成像原理示意圖
對于透明生物組織或細胞等透明樣本的成像是顯微成像技術的研究重點之一。針對這類樣本的成像技術中，無標記顯微成像技術能夠將透明樣本與周邊環境的折射率對比度轉換為成像圖案的強度對比度，很好地彌補了熒光或染色技術需要外源性標記物或樣本標記流程繁瑣的缺陷，提供了一個低光毒性、操作簡便的解決方案。無標記顯微成像技術中基于全息干涉或TIE的定量相位重建方法能完整地反映樣本的結構信息，賦能細胞監測、分割分類等應用。
其中，TIE方法可以在部分相干光照明下工作，能消除激光成像帶來的散斑噪聲，也能更好地兼容傳統顯微鏡平臺。TIE相位重建的核心在于擬合光強沿著傳輸方向的微分，并通過TIE給出的軸向微分與相位之間的關系求解出焦面光場的相位。因此，為了實現高精度的軸向微分估計，TIE方法需要采集多幅過焦點圖像來完成數值擬合。傳統TIE方法大都通過物像面的機械移動來獲得多幅過焦點圖像。這些機械移動組件與傳統成像元件使TIE成像系統變得復雜且笨重，限制了TIE方法在即時醫療或一些對系統便攜性有需求的特殊應用場景中的應用。
該研究中，研究者首先引入了按幾何相位設計的超構透鏡這種超輕超薄的成像元件，其構成單元在420 - 480 nm的波長范圍內都具有較高的偏振轉換效率(圖2a)，對應超構透鏡在此波長范圍內具有較高的衍射效率，并實測了加工的2mm超構透鏡(圖2b)在420 - 480 nm范圍內7個波長處的波長變焦效果與成像效果(圖2c, d)，其中450 nm為中心波長。
圖2 a, b超構透鏡單元結構偏振轉換效率隨波長的變化曲線與加工的2 mm超構透鏡的實物圖、SEM圖與光學顯微圖。c, d超構透鏡波長變焦實測截面光場圖與對應波長處對焦的成像效果。
接著，研究人員超構透鏡對微透鏡陣列進行了定量相位成像測試，表征了基于色散超構透鏡的TIE定量相位重建的準確度。實驗中固定物像面，利用超構透鏡的波長變焦拍攝了7張過焦點圖像。圖3a為中心波長450 nm處拍攝的對焦圖像，圖3b為偏離中心波長的離焦圖像。基于采集的7張過焦點圖像與多平面TIE方法，研究者成功重建了微透鏡陣列焦面光場的相位分布(圖3c)。在微透鏡材料折射率已知的情況下，相位分布即對應著微透鏡陣列的面型。因此，研究者用AFM測量了微透鏡的真實面型，并將之與重建的面型進行了對比(圖3d)。可見，重建面型與真實面型基本吻合，但在微透鏡邊緣這些相位梯度較大的地方會出現重建誤差(最大誤差約0.03個波長，即15 nm)。圖3e, f為基于重建相位進行遠場衍射得到的不同衍射面的光強分布與實測的微透鏡透射光場光強分布。可見兩者幾乎完全一致，進一步驗證了重建相位的準確度。
圖3 a, b 超構透鏡在固定物像面時，通過掃描波長拍攝的微透鏡陣列圖像。c重建的焦面相位圖像。d重建面型與AFM實測面型的對比圖。e, f 基于重建相位得到的遠場衍射光強分布與實測的微透鏡陣列的透射光場光強分布。
最后，研究人員將超構透鏡與CMOS圖像傳感器進行集成。得益于超構透鏡超薄的特點與無需移動物像面的波長掃描變焦能力，研究者大幅縮減了TIE成像模組的體積(整體尺寸為長36mm、寬36mm、高14mm)，并測試了其對透明生物細胞的相位成像效果。圖4c, e分別為中心波長處集成超構顯微鏡拍攝的Hela細胞與4T-1細胞的對焦圖像，圖4d, f為對應重建出的相位圖像。較強度圖像，相位圖像攜帶著更豐富的細胞結構信息，驗證了該方案在生物相關方向應用的可行性。
圖4 a, b集成顯微鏡的實物圖與結構示意圖，其中CPF代表圓偏振檢偏膜。c, e對應中心波長處拍攝的Hela細胞與4T-1細胞的對焦圖像。d, f對應重建的相位圖像。
該工作不僅為定量相位成像系統的小型化提供了一種新方案，也為定量相位成像技術在更廣泛場景中的應用帶來了新的可能。未來的研究中可以進一步提升相位成像的分辨率，提升綜合性能，構建完全小型化的集成相位顯微鏡。
