高分辨率三维成像对解析生物精细结构十分关键，光声成像依靠组织内部光学吸收激发的超声信号实现三维观测，但光学分辨率光声显微镜受限于焦深，高分辨成像仅能覆盖狭小轴向范围。非衍射光束虽可拓展焦区，但旁瓣会降低信噪比。本研究开发一套基于电可调双焦点超构透镜的光声显微系统，无需机械运动即可在两个衍射极限焦点间切换，实现 1.2 mm 轴向成像覆盖范围，横向分辨率可达 3.7 μm。研究选取氮化硅作为超构透镜纳米结构材料，通过液晶单元调控入射光偏振完成焦点切换，响应时间 250 ms。研究利用大鼠眼角膜灼伤模型开展活体实验，可在全眼深度范围内高分辨观测角膜新生血管，为高信噪比的三维容积生物成像提供技术基础。

该研究由 Hongyoon Kim、Eunwoo Park、Jeongwoo Park、Dong Kyo Oh、Jehyeon Shin、Hyeonsu Heo、Chulhong Kim、Junsuk Rho 完成，论文标题为《Electrically switchable dual‑focus metalens for depth‑extended in vivo photoacoustic imaging of ophthalmic vascular disease》，于 2026 年发表于《Light: Science & Applications》。

重要发现
01超构透镜材料筛选
光声成像使用高功率脉冲激光，超构透镜材料需要同时满足高折射率、低消光系数，自身光声信号输出低。研究采用等离子增强化学气相沉积制备氮化硅薄膜，调控硅烷与氮气进气比例开展能带工程。硅烷占比提升会提高薄膜折射率，但同时增大消光系数，存在性能权衡关系。最终选定硅烷/氮气比例 1.52 的工艺条件，该条件下 532nm 处材料折射率为 2.4，消光系数仅 0.0027，1000nm 厚度薄膜吸收约 2%，兼顾光约束能力与抗激光损伤能力，同时保障超构透镜聚焦转换效率。

电调制双焦点光声显微镜的示意图

02双焦点超构透镜设计原理
器件结合传播相位与Pancharatnam‑Berry 几何相位，对右旋、左旋圆偏振入射光实现独立相位调控。纳米元结构高度设置为 1000nm，周期 340nm，面向水下成像场景优化性能。研究筛选 8 组不同长宽参数的纳米元，单元转换效率大于 70%，x 与 y 偏振光相位差大于 0.75π，通过 8 级相位离散实现完整 2π 相位调制。针对 532nm 工作波长设计两套相位分布，对应两组焦距，依靠纳米元几何尺寸实现传播相位编码，依靠纳米元旋转引入几何相位，使不同自旋偏振光分别聚焦至两个目标焦点。

双焦点超透镜的设计方法

03电调焦点切换与光学表征
系统依靠液晶器件改变入射光偏振态，完成焦点切换。液晶在0.87V 电压输出右旋圆偏振光，对应第一工作模式 M₁；1.03V 电压输出左旋圆偏振光，对应第二工作模式 M₂，器件响应时间 250ms。两个模式斯特列尔比接近 1，焦点均接近衍射极限高斯光束。两个焦点模式之间光学对比度，在第一焦点处达到 40:1，第二焦点处达到 20:1。调制传递函数测试结果与理想衍射极限超构透镜保持一致，验证器件成像能力。置于水环境时，两组焦点轴向间距 0.93mm。

双焦点光声显微镜（meta-PAM）的表征

04meta‑PAM系统表征与仿体实验
双焦点超构透镜安装在环形超声换能器中心开孔位置，实现光路、声路共轴，构建meta‑PAM 系统。水环境下两种模式实测横向分辨率分别为 3.1 μm 与 3.7 μm，和理论计算结果高度吻合，系统有效轴向成像拓展至 1.2mm。利用轴向分层排布尼龙线、倾斜树叶骨架开展仿体验证，不同轴向位置结构分别在 M₁、M₂模式获得最优对比度与分辨率。散射仿体测试同样证实，模式切换可以提升更深位置目标的成像分辨能力，两套模式各自具备单焦点光声显微成像的高斯聚焦特性。

尼龙线和树叶骨架的体积PA成像

05活体动物眼科成像实验
建立大鼠角膜碱灼伤模型开展无标记活体成像。正常大鼠眼睛成像中，M₁模式对浅层虹膜根部血管成像质量高，虹膜周边深层血管出现离焦模糊；M₂模式焦点向深部偏移，可清晰分辨瞳孔周边更深层血管，但浅层根部血管清晰度下降。角膜灼伤 14 天后，角膜生成新生血管，M₁模式适合获取角膜表层新生血管高分辨图像，M₂模式可采集更深位置虹膜血管信号。通过两套模式对血管直径、病灶面积开展定量测量，两套模式测得病灶面积数值接近，证实该系统可在不同深度下完成稳定的病理定量分析，病理新生血管严格局限在角膜组织。

创新与亮点
传统光学分辨率光声显微系统受焦深约束，高分辨成像仅局限于狭小深度区间；贝塞尔光束等非衍射光束拓展焦深的方案，存在旁瓣干扰、信噪比下降的缺陷。该研究利用自旋复用超构透镜结合液晶电控偏振调制，无需任何光学部件机械运动，毫秒级完成两个衍射极限焦点切换，在保留高斯焦点低旁瓣、高光声信号优势的前提下拓展轴向成像覆盖。将超构透镜与环形超声换能器集成，构建紧凑成像系统，实现眼部血管活体无标记成像，可对角膜新生血管开展深度分辨观测与定量评估。该技术可为眼科病理研究、多层微血管观测提供新的成像方案，同时具备向皮肤、脑组织成像拓展的潜力。

总结与展望
该工作搭建电控双焦点超构透镜光声显微系统，依靠偏振复用实现双衍射极限焦点的快速电切换，克服传统光声显微焦深受限问题，在大鼠活体眼部实现不同深度微血管高分辨成像，完成角膜新生血管的定性与定量分析。后续可以通过高速扫描器件提升成像帧率，配合运动校正算法抑制活体运动伪影；通过亚像素配准融合两套焦点图像，消除数值孔径差异带来的图像不一致；面向多光谱成像开发消色差超构透镜，拓展系统的功能检测能力。该器件架构同样具备与光学相干断层扫描、双光子显微等模态融合的潜力。

论文信息
声明：本文仅用作学术目的。

Kim, H., Park, E., Park, J. et al. Electrically switchable dual-focus metalens for depth-extended in vivo photoacoustic imaging of ophthalmic vascular disease. Light Sci Appl 15, 369 (2026).

doi:https://doi.org/10.1038/s41377-026-02365-8