1. 设计、制造和实现了用于荧光成像的介电Moire超透镜；
2. Moire超透镜由两个互补相位超表面组成，具有可变焦距，通过调整相互角度，在532 nm处的焦距范围从10到125mm；
3. 利用Moire超透镜设计了远心结构用于高对比度多平面荧光成像。
具有光学切片功能的荧光显微镜广泛用于生物学研究，以获得体积样品的三维结构图像。可调谐透镜已应用于显微镜中，用于轴向扫描以获取多平面图像。然而，由传统可调镜头获取的图像存在球面像差和畸变。
近日，香港理工大学Din Ping Tsai教授与国立台湾大学Yuan Luo团队以题为“Varifocal Metalens for Optical Sectioning Fluorescence Microscopy”在《Nano Letters》上报道了一种介电Moire超透镜，由两个互补的平面GaN超表面相位板组成，用于在可见光区域执行荧光生物成像应用。由于其在可见光谱中具有低损耗和高折射率的天然材料特性，因此GaN适用于制造超透镜。不同直径的圆柱形纳米柱用于构建Moire超透镜，以提供完整的2π相位要求，而没有偏振依赖性。通过改变两个相位板之间的相互角度，超透镜的焦距可以在10毫米到125毫米之间进行调整，在532纳米波长下的平均效率为40%。此外，通过HiLo显微镜实验证明了离体小鼠绒毛组织样本的光学切片多平面图像，基于远心设计以及可变焦超透镜，这是关于可变焦超透镜在光学切片荧光显微镜中的应用的第一份报告。提供的具有恒定放大倍数的广泛可调性将有助于各种生物样品的多平面生物成像。
图1：可变焦Moire超透镜的设计原理。
（a）Moire超透镜示意图。可以通过改变成对超表面的相对角度来调整焦距（fθ）。（b）变焦透镜的超表面的设计相位分布。（c）由蓝宝石衬底上800nm（H）高度和250nm（P）周期的GaN纳米柱组成的晶胞。不同直径的GaN纳米柱的相应传输和相移。
图2：Moire超透镜的光学特性。
（a）直径为1.6mm的超表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。比例尺：200μm。超表面晶胞的顶视图（红色方块）和平铺视图（蓝色方块）放大的SEM图像。比例尺：1μm。（b）在λ=532nm的配对超表面的不同相对旋转角（θ=180350）下，实验测量Moire超透镜和相应焦点（底部图像）的聚焦行为。比例尺：100μm。（c）在不同相对旋转角（θ=30350）下Moire超透镜（λ=532nm）的实验和理论焦距和测量效率。
图3：具有远心设计的基于Moire超透镜的显微镜中的不变放大率图像。
（a）焦点调整期间不变放大率成像的实验装置。在远心设置中， Moire超透镜位于物镜的傅立叶平面上，以获得均匀的放大倍率和对比度图像。（b）通过调整Moire超透镜的相对角度，1951年美国空军分辨率图在不同焦平面（Δz=0、30和60μm）的三个对焦图像。（c）分别在Δz=0μm（左）、Δz=30μm（中）和Δz=60μm（右）处沿虚线的横截面归一化强度。蓝色、绿色和红色曲线的MTF定义为（ImaxImin）/（Imax+Imin），分别为0.28、0.28和0.23。Imax（Imin）是沿横截面轮廓的最大（最小）强度。
图4：使用基于Moire超透镜的显微镜和HiLo原理的微球荧光图像。
（a）基于远心设计的落射荧光显微镜的实验装置，具有可变焦Moire超透镜。45μm微球的荧光图像，在（b）均匀照明和（c）结构照明下。比例尺：45μm。插图显示了使用网格图案的荧光微球的放大图像，网格图案为34lp/mm（顶部）和13.5lp/mm（底部）。（d）显微镜对两种网格图案的光学切片能力，分别为34lp/mm（红色标记）和13.5lp/mm（蓝色标记）。（e）使用34lp/mm的网格图案通过结构化照明获得的荧光微球的HiLo处理图像。比例尺：45μm。（f）均匀（b）和HiLo图像（e）沿虚线的强度分布比较。
图5：不同深度肠道组织样本的离体图像。
（a）在三个不同深度（Δz=0μm、Δz=40μm和Δz=75μm）均匀照射下绒毛的荧光图像是通过旋转超表面之间的相对角度获得的。（b）HiLo在三个相应深度处理绒毛图像。比例尺：25μm。（c）均匀照明图像（红线）和HiLo处理图像（蓝线）中沿虚线的强度横截面，Δz分别为0、40和75μm。
文章信息：
Y.Luo, C. H. Chu, S. Vyas, H. Y. Kuo, Y. H. Chia, M. K. Chen, X. Shi, T.Tanaka, H. Misawa, Y.-Y. Huang, D. P. Tsai, Nano Letters 2021.
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c01114
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