超构表面光学微分技术应用于生物成像与光信息处理
2026-07-30 来源:本站 点击次数:151面向人工智能与机器学习时代全光计算的发展需求，该研究提出一种基于介质超构表面的自旋复用点扩散函数工程方案，在单层超构表面上同步实现任意阶光学微分运算与高分辨率成像功能，无需额外辅助光学元件。研究通过精准调控正交圆偏振光的复值点扩散函数，实现了微分阶数的偏振切换调控，实验制备的器件可实现0阶/1阶、2阶/3阶微分成像，空间分辨率最高达228.0线对每毫米，且在强光照明、活细胞实时观测等场景中验证了优异性能，为紧凑型全光计算成像系统提供了新的技术路径。
该研究由Niu Liu、Zhelin Lin 等学者完成，通讯作者为 Xinliang Zhang 与 Cheng Zhang，论文题为 《Spin-multiplexed point spread function engineering via dielectric metasurface for simultaneous optical differentiation and high-resolution imaging》，于 2026年发表于 《Light: Science & Applications》。
重要发现
01自旋复用点扩散函数工程的工作机制
在单透镜成像系统中，输出图像由输入物光场与系统点扩散函数卷积生成，通过调控光瞳函数即可设计复值点扩散函数，实现不同的成像与运算效果。该研究利用介质超构表面的自旋复用特性，为左旋、右旋圆偏振入射光分别赋予独立的振幅与相位调控能力，对应两套互不串扰的复值点扩散函数，从而在同一视场内实现两种阶数的光学微分成像。
点扩散函数工程化超表面微分器的概念示意图
自旋多路超表面微分器的设计与制备
设计过程借鉴数字图像处理的卷积核思路：0 阶微分采用高斯卷积核，对应常规明场成像；1 阶微分通过水平与垂直 Sobel 核构建各向同性微分核；更高阶微分可通过 1 阶微分结果递推得到，微分阶数不受涡旋相位方案的固有约束。在此基础上，研究为超构表面叠加双曲聚焦相位，使其同时具备聚焦成像与微分运算功能，无需传统 4-f 系统的傅里叶变换透镜组，也无需额外的成像采集光学元件，真正实现了运算与成像的单层一体化。
02器件设计制备与基础成像性能为实现目标透射函数，研究采用交错双纳米柱构成的超胞结构，每个纳米柱在目标工作波长下等效为半波片，通过双柱透射光场的干涉效应，实现对两种圆偏振光的独立振幅与相位调控。器件选用非晶硅作为纳米柱材料，工作波长设定为671 纳米，纳米柱高度 530 纳米，晶格周期 350 纳米；通过时域有限差分仿真扫描结构参数，构建元原子库，筛选满足半波片特性的纳米柱尺寸。研究最终制备了两款直径 3 毫米、数值孔径 0.3 的超构表面器件：MS1 实现 0 阶与 1 阶微分复用，MS2 实现 2 阶与 3 阶微分复用。
器件制备采用标准微纳加工流程：先通过等离子体增强化学气相沉积在熔融石英衬底上沉积非晶硅薄膜，再经电子束光刻定义超构表面图案，以铬层为刻蚀掩模，通过电感耦合等离子体反应离子刻蚀将图案转移至非晶硅层，最终去除残留掩模并完成清洗。
对点扩散函数的表征结果显示，两款器件的实测光强分布与理论预测高度吻合：MS1 的 0 阶模式呈现实心艾里斑分布，半高宽为 1.62 微米；1 阶模式呈现环形光斑，峰峰间距为 1.92 微米。MS2 的 2 阶、3 阶模式均为环形光强分布，峰峰间距分别为 3.44 微米与 5.09 微米。采用标准分辨率测试靶标进行成像测试，MS1 的 0 阶与 1 阶模式最高可分辨 228.0 线对每毫米，对应线宽 2.19 微米；MS2 的 2 阶与 3 阶模式分别可分辨 114.0 线对每毫米与 90.5 线对每毫米。四款工作模式的光学效率处于 40%–54% 区间，且器件对纳米柱尺寸的加工误差具备较强鲁棒性，±20 纳米的尺寸偏差下仍可维持良好的成像质量。
所制备的自旋多路超表面微分器的点扩散函数表征
03多场景成像实验与功能验证研究针对振幅型与相位型两类样品开展成像实验，验证多阶微分的实际成像效果。对于振幅型样品，各阶微分模式均可有效提取目标的边缘轮廓；对于透明相位型样品，0 阶模式保留完整明场信息作为参照，1 阶微分可凸显样品边界与内部折射率变化区域，原本在明场下对比度不足的硅藻细胞核结构，在 1 阶微分模式下可清晰分辨；更高阶的 2 阶、3 阶微分可进一步提取细胞质等更精细的胞内结构，但大尺寸边界的对比度会相应降低，体现了不同微分阶数的成像特性差异。
研究将该器件与传统数字图像处理方案进行对比：传统方案先通过成像系统采集光强图像，再经电子处理器执行微分运算，低对比度的相位信息会在图像采集环节丢失；而超构表面直接在光场层面完成微分运算，可同时利用光的振幅与相位信息，因此对洋葱表皮细胞的细胞核边缘分辨效果优于数字Sobel 算子处理结果。在强光照明导致探测器饱和的场景下，传统明场成像完全丢失细胞结构信息，而该器件的各阶微分模式仍可通过相位差异提取细胞核与胞内结构，展现出极端光照条件下的成像优势。
成像结果
与传统数字图像处理的对比以及强光照明条件下的成像性
此外，研究利用两款器件实现了活眼虫细胞的实时动态成像，采集帧率达30 帧每秒：0 阶模式可清晰观测细胞整体形态与运动轨迹，1 阶模式强化细胞边缘的轮廓变化，高阶模式可呈现更丰富的胞内细节，不同微分模式可同步提供多维度的动态观测信息。器件还具备宽带响应特性，在 611 纳米至 731 纳米的波长范围内，点扩散函数形态与成像分辨率均保持稳定，可适配黄光至近红外波段的多种照明条件。
活眼虫细胞的实时成像
制造的自旋多路复用超表面微分器的宽带响应
创新与亮点
该研究突破了现有全光微分方案的多重技术局限：传统4-f 系统结构复杂、对准难度高，系统体积庞大；格林函数方法数值孔径受限，空间分辨率不足且无原生成像能力，需配套额外成像光学；涡旋相位方案的微分阶数与空间分辨率存在固有约束，功能灵活性不足。研究提出的点扩散函数工程方案，首次在单层超构表面上实现了高分辨率成像与任意阶光学微分的一体化集成，通过自旋复用即可快速切换微分阶数，无需额外光学元件，系统结构极度紧凑。
在生物医学成像领域，该技术可直接对未染色的相位型细胞样品实现边缘增强与亚细胞结构提取，避免了染色操作对活细胞的损伤；在强光探测场景中可绕过探测器饱和限制获取结构信息，适用于极端光照下的光学检测；实时活细胞成像可同步输出多阶微分结果，为动态细胞行为分析提供多维度数据，在紧凑型显微设备、快速细胞筛查、临床病理检测等场景中具备明确的应用价值
总结与展望
该工作基于自旋复用的点扩散函数工程策略，在单层介质超构表面上实现了高分辨率成像与多阶光学微分的功能集成，实验验证了优异的成像质量、宽带适应性与多场景鲁棒性，为紧凑型全光计算成像系统提供了全新的实现路径。未来可通过提升器件数值孔径进一步优化空间分辨率，拓展去噪、边缘增强等全光计算功能，并适配更多工作波段，推动该技术在生物医学成像、高速信息处理等领域的落地应用。
论文信息
声明：本文仅用作学术目的。
Liu, N., Lin, Z., Xing, Z. et al. Spin-multiplexed point spread function engineering via dielectric metasurface for simultaneous optical differentiation and high-resolution imaging. Light Sci Appl 15, 318 (2026).
doi: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02229-1