相衬显微镜在现代生物学、地质学和纳米技术的发展中发挥了核心作用。它可以将隐藏在普通光学显微镜下的半透明物体的结构可视化。相衬显微镜的结构大多数都是基于4f系统的，受最早的相衬成像技术，上世纪30年代提出的泽尼克相衬成像方法的影响。目前的相衬显微镜都需要在光路中使用大量的光学元件，且需要严格的校准，随着平面光学领域的快速发展，纳米结构光学平面元件可以在显微成像领域提供一些创新的思路。最近，很多学者提出基于超表面和光子晶体的平面光学元件非常适合用于执行各种图像处理任务，包括图像区分和定量相位梯度恢复，可用于提取有价值的相位信息。超表面也与各种图像传感器集成，创建更紧凑的系统，提取到比传统传感器更多的信息，如角度、角动量和极化信息等。
2022年，斯坦福大学相关学者展示了如何通过在基本光学显微镜的相位物体和物镜之间插入非局部超表面来进行相衬成像。非局部超表面通过以规定的方式控制入射波在目标波长处的角度相关透射幅度和相位，从而促进定量相衬成像的发展，并使用它对在不同科学和技术领域中重要的各种相位对象成像。除了成像功能之外，非局部超表面还可以在单张图像中提供大面积的高精度相位测量。该项工作在《自然》杂志子刊Nature communications上以“Quantitative phase contrast imaging with a nonlocal angle-selective metasurface”为题发表。
图1 在显微镜载玻片上放置超表面可以实现相衬成像。(a)将经典的明场显微镜转变为能实现相位成像的装置原理图；(b)非局部超表面相衬成像结果.
如何通过在基本光学显微镜的相位物体和物镜之间插入非局部超表面来进行相衬成像，如图1(a)所示。非局部超表面通过以规定的方式控制入射光波在目标照明波长处的角度相关透射幅度和相位，从而实现定量相衬成像。图1(b)展示了在不同科学和技术领域中各种重要相位对象的成像结果。
图2 光学图像处理过程可以用一个非局部超表面作为角度滤波实现。(a)利用基于非局部超表面的角滤波器的相衬系统；(b)非局部超表面的横截面示意图；(c)超表面在正常入射下的透射光谱模拟；(d)超表面在谐振波长及其附近的角透射光谱；(e)不同角度入射光透过超表面产生的相移.
4f系统作为一个共程干涉仪，合成自己的参考光束，图2(a)底部显示了经典4f系统实现相衬成像的光路。由两个焦距为f的透镜和一个专门的傅里叶滤波器组成，这些组件和样本以等距的方式间隔距离f，当样本用准直光束照射时，样品在相位分布中赋予的不同空间频率将光衍射到一个方向范围内。然后在第一个透镜的后焦面产生空间傅里叶变换，这里，傅里叶滤波器选择性地操纵输入场中存在的每个空间频率，控制它们地传输振幅和相位，第二个透镜将不同空间频谱分量重新组合形成图像。在傅里叶平面上，可以引入滤波器来产生高对比度图像，虽然泽尼克相衬方法在概念上简单，但在实际中，需要在傅里叶平面上小心地插入多个滤光片，限制了它在许多光学显微镜中的应用。
该项工作的关键在于相衬成像非局部角滤波器的设计。在这里，作者向我们展示了平面光学的先进，可以利用一种非常不同的方式来实现相衬图像。通过在样本后面插入一个精心设计的角度滤波器，我们可以实现相同的功能的傅里叶滤波器（图2(a)）。为了在弱散射样品中获得最佳的相衬，该滤波器应该设计成选择性地衰减并赋予在光轴附近传播的光线π/2相移。使用角度滤波器的三个重要的实际优点是显而易见的。首先，这样的滤光片可以轻松地改变4f系统中镜头的焦距，而不需要重新定位光学元件。其次，由于在傅里叶平面上不需要光学操作，因此只需要一个透镜来形成图像。第三，光学对准被大大简化，因为不像傅立叶滤波器，需要精确的定位，角滤波器可以放置在试样和物镜之间的任何地方，不需要任何精确的横向对准。关键是要保持角滤光片与光轴正交，但这种单维调整很容易使用现代光学力学实现。
为了有选择地操纵近轴射线，作者采用具有高光学质量因子(Q)和非局部响应的超表面，支持导模共振，它由一个表面浮雕光栅(p=390 nm)蚀刻在240 nm厚的单模氮化硅(Si3N4)板波导上，放置在熔融硅衬底上（图2(b)）。大多数入射光波遵循直接传输途径通过图案化氮层。它们的传输特性遵循规则的低质量因子(Q≈2)法布里-珀罗谐振器的传输特性。然而，在选定的波长和角度下，光栅可以将入射光谐振耦合到准制导模式。这可以导致波导中显著的能量存储和氮化层中电场的大幅增加。相反，光栅的存在导致引导光缓慢地泄漏出结构，并在前进方向上干扰直接透射的光。这种干扰导致透射光谱明显下降（图2(c)）。光栅元件的振幅决定了波导内外的耦合效率，因此也决定了共振的辐射质量因子(Q)。在我们的案例中，我们选择390 nm的光栅周期，在630 nm处放置具有横向磁(TM)极化的正入射光的共振。选择光栅深度为90 nm，产生质量因子Q≈60的共振。这导致了全宽半最大值(FWHM)为11 nm的窄谱共振，几乎是我们用于照亮样品的光谱过滤白光超连续光源带宽(6 nm)的两倍。图2(d)和图2(e)显示了共振和照明波长高于和低于3 nm时的模拟角度相关透射率和相移。在共振上，可以看到角滤波器执行相衬成像所预期的功能。共振还确保了近轴涉嫌相对于非近轴射线有的相移。
图3 超表面角度响应的实验验证。(a)光栅波纹单模氮化硅板的超表面透射率随波长和入射角变化的实验图；(b)面板上的透射率模拟图与实验结果吻合较好；(c)在共振波长附近的三个波长超表面的透光率随角度的变化；(d)在630 nm附近的不同照明波长下超表面的正入射透射图像；(e)超表面的反射光学显微镜图像.
一系列角度和光谱透射测量实验，如图3所示，用以确定非局部超表面的色散光学特征。用卤素灯照射不同波长的TM偏振光。图3(a)显示了测量的透射图，突出了角透射倾角的光谱依赖性。基于严格耦合波分析，实测数据与图3(b)所示的模拟透射率非常吻合。这种良好的一致性使得能够将减小的传输特性归因于超表面的横磁波导模式的共振激励。实验和模拟透射光谱的详细比较表明，背景透射光谱的差异很小。图3(d)分析了在不同波长的准直光谱滤波(FWHM=6 nm)超连续光源照射下，通过超表面的透射率的空间依赖性。在共振时，方形超表面呈现黑色，轮廓清晰。我们发现97%的正常入射（近轴）光在共振处被阻挡，并且透射强度在远离共振处增加。图像的均匀性验证了在整个装置区域内对超表面光栅参数的良好控制。
结果如预期那样，在亮场图像中看到接近于零的对比度（图4(e)）。在放大的图片中，可以看到的大部分对比度来自于相位样品的轻微色散。在高NA成像系统和单色光源下成像时，完全聚焦的相位物体的对比度为零。与亮场成像相比，相衬显微镜在特征的轮廓上提供了更高的对比度。然而，由于缺乏精确的空间频率滤波，其线轮廓并不是样本的精确重建。而作者所采用的超像素相衬成像方法可以取得更高的对比度。
图4 传统相衬成像和超表面相衬成像的定量比较。(a)校准样本的明场相衬成像；(b)用泽尼克方法记录的校准样本相衬成像；(c-d)模拟和实验的超表面相衬成像；(e)校准样本第7线对的定量相衬结果.
大多数超表面控制散射光的局部相位，称为局部超表面。因此，它们的光学特性主要依赖于制造元件的相位轮廓的精确测量。图5(a)显示了作者应用所开发的技术在熔融二氧化硅衬底上将典型的局部超表面成像为Si3N4层。该局部超表面由密集的氮化纳米柱组成，这些纳米柱排列在方形晶格中，晶格常数为a=360 nm。纳米柱的边长随区域而变化（图5(b)），以实现在0.04π到0.4π范围内的相位拾取。作为第一步，作者使用USAF相位目标校准非局部超表面对比度。然后，将非局部超表面相位对比成像应用于局部超表面，以可视化和量化不同区域的相位延迟，如图5(a,c)所示。恢复的相位曲线与模拟结果吻合得很好，特别是在弱相位区，其精度优于0.02π。这表明非局部超表面相衬在获得定量相位轮廓方面具有很高的准确性。
图5 使用非局部超表面的定量相位恢复。(a)Si3N4纳米棒二维周期阵列的传输和相位延迟；(b)制备的超表面不同区域的SEM图像；(c-d)模拟和实验非局部超表面相衬图像.
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-022-34197-6
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