1. 导读
透明样本（如细胞、微透镜和半导体材料）的相位信息获取对于科学研究与分析至关重要，然而传统图像传感器仅能记录光强信息，无法捕捉相位分布。近年来，定量相位成像技术因其能够全面获取相位信息而备受关注，但其应用常受限于复杂的实验设置和对机械运动的依赖。
针对这些问题，近日香港城市大学陈沐谷教授团队和清华大学耿子涵教授团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种基于超构元件的新型定量相位成像系统，集成了几何相位超透镜、折射透镜和电子可调透镜，使得该系统在可以在不同偏振状态下有不同的焦点，并结合偏振相机，可以同时采集到不同深度的离焦图片，实现了单帧和无需机械移动的多深度相位成像（如图1所示）。利用部分相干光源，显著提高了成像分辨率并降低了环境噪声的影响。团队在可见光波段的实验显示该系统可以在多深度的场景下，单帧拍摄并恢复相位信息，实验结果均与理论预期非常吻合，这也充分证明了该设计方法的有效性。这一创新不仅突破了传统传输强度方程算法需要拍摄多次和机械移动的局限，还为生物医学、材料科学等领域的实时、高精度相位成像提供了新的解决方案。
2. 研究背景
传统图像传感器仅能记录入射光的光强信息，而无法捕捉光的相位分布，这是由于光的振荡频率远高于传感器的响应速度。然而，在科学研究中，许多关键样本（如细胞、微透镜和半导体材料）在光强上表现为透明，其主要特征在于对光相位的调制能力。因此，获取这些样本的相位信息对于深入研究至关重要。相位成像技术通常分为定性相位成像和定量相位成像。定性相位成像方法（如泽尼克相位对比和微分干涉对比）虽然能够提供粗略的相位信息，但无法满足精确分析的需求。近年来，定量相位成像因其能够全面获取样本的相位信息而成为研究热点。定量相位成像技术主要分为干涉法和非干涉法。干涉法虽然精度较高，但对高度相干光源和稳定光学系统的要求极为严格，导致实验装置复杂且易受噪声干扰。非干涉法中的相位恢复技术，特别是基于传输强度方程的方法，因其在部分相干光下的高分辨率和快速计算能力而备受关注。然而，传统传输强度方程方法需要通过机械移动物体或传感器来获取不同距离下的光强图像，这限制了其在动态或复杂环境中的应用。超构元件作为一种由亚波长人工纳米结构组成的新型光学元件，具有强大的波前调控能力，为定量相位成像技术的发展提供了新的可能性。近年来，研究者尝试将超构元件与定量相位成像技术结合，利用其独特的偏振和相位调控特性，实现了无需机械移动的多焦点成像。然而，现有方法仍难以在不调整物体或传感器位置的情况下，实现对不同深度物体的相位成像，这在观察溶液中的细胞等应用场景中尤为突出。
3. 创新研究
针对上述挑战，本研究提出了一种基于超构元件的新型定量相位成像系统，通过集成几何相位超透镜、折射透镜和电子可调透镜，结合偏振相机，实现了无需机械移动的多深度相位成像。该系统的核心创新在于利用几何相位超透镜对左和右旋圆偏振光的不同聚焦特性，同时结合电子可调透镜调焦能力，实现了对不同深度物体的实时相位成像。
具体而言，研究团队设计了一种新型超构元件，该元件能够在左和右旋圆偏振光入射下分别形成两个独立的焦点，从而在偏振相机上同时捕获两幅离焦图像，用于传输强度方程的相位恢复。通过调节电子可调透镜的焦距，系统可以动态调整左旋和右旋圆偏振光的聚焦深度，从而实现对不同深度样本的高精度相位成像。在实验中由于存在各项误差比如入射光的角度偏差和强度不均都会造成一定的相位畸变。为了解决该实际问题，团队在拍摄物品前会先对背景先进行一次拍摄，通过算法恢复物品和背景的相位，并将背景相位从物品相位中移除即可获得单纯的物品相位（如图2所示）。
图2 移除背景相位的相位成像方法
随后研究团队使用低相干性光源（LED）进行多深度下的定量相位成像。图3(a)展示了整体实验架构，LED光源经过准直后发出，透明的相位物体被放置在不同深度的三个位置，超构元件通过调节不同的焦距可以对焦于不同深度的物体上，而左旋和右旋光分布对焦在了该深度物体的前后表面上，在偏振相机上形成轻微失焦的图片（如图3(b-d)中前两列所示）。获得的失焦图片经过算法的计算，可以恢复出物体的相位信息（如图3(b-d)中最后一列所示）。
图3 (a) 实验架构(b-d) 不同深度下的左旋和右旋光对应的成像结果与相位恢复结果
4. 应用与展望
研究团队提出基于超构元件实现多距离定量相位成像的新方法，是一种高效、无机械移动、功能广泛的方法，通过充分利用几何相位对不同旋性光有不同相位调制的机制，可以在两种旋光偏振入射下，分别实现对不同深度表面的同时成像，并通过强度传输方程算法可以得到定量相位成像结果，并通过调节电子可调透镜实现对多深度物体的定量相位成像。
该研究成果以“Tunable Meta-Device for Large Depth of Field Quantitative Phase Imaging”为题在线发表在Nanophotonics。
本工作由清华大学和香港城市大学合作研究，作者分别是Jialuo Cheng, Zihan Geng, Yin Zhou, Zhendong Luo, Xiaoyuan Liu, Yinuo Xiang, Junxiao Zhou and Mu Ku Chen，其中前三位作者为共同第一作者，Junxiao Zhou 和Mu Ku Chen教授为共同通讯作者。耿子涵(Zihan Geng)教授隶属于清华大学，陈沐谷(Mu Ku Chen)教授隶属于香港城市大学太赫兹及毫米波国家重点实验室。
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