近日，南京大學(xué)徐挺教授和陸延青教授團隊在結(jié)構(gòu)光照明顯微成像領(lǐng)域取得新進展。研究團隊利用偏振復(fù)用的超構(gòu)表面實現(xiàn)了三步相移結(jié)構(gòu)光，通過照明物體成功實現(xiàn)了超分辨成像。

相移結(jié)構(gòu)光照明是一種在各種成像系統(tǒng)中廣泛采用的光學(xué)技術(shù)，例如光片顯微鏡和超分辨顯微鏡。通過將條紋結(jié)構(gòu)光投影到物體上并使用相移技術(shù)提取相位信息，可以重建物體的深度、輪廓或形態(tài)。然而，機械控制導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性差、精度低。盡管光電元件如空間光調(diào)制器、數(shù)字微鏡器件等提高了相移控制精度，但其微米級像素需要物鏡進一步提高結(jié)構(gòu)光頻率，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性，限制了光學(xué)系統(tǒng)的縮小。另外，金屬超構(gòu)表面雖可生成相移結(jié)構(gòu)光，但金屬的光學(xué)損耗和表面等離激元的近場傳播限制影響了成像質(zhì)量和應(yīng)用范圍。

這項工作中，研究團隊提出并展示了一種基于介質(zhì)偏振復(fù)用超表面實現(xiàn)遠場相移結(jié)構(gòu)光照明的方法。通過控制納米結(jié)構(gòu)的幾何相位和傳播相位，將三個二元光柵相位編碼到一個單層超表面上。這三個光柵具有相同的周期，并且它們的相位分布表現(xiàn)出等距的橫向位移。通過不同的入射光和透射光的偏振狀態(tài)組合，超表面能夠?qū)崿F(xiàn)相移功能，從而無需樣品或光源位移，并提供了穩(wěn)定的操作性能(圖1)。為了驗證該方案，團隊將該超表面應(yīng)用于透射式相干結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡系統(tǒng)，在基于超表面的結(jié)構(gòu)光照明顯微實驗中，通過使用標準分辨率測試圖作為成像對象，沿相移方向的成像分辨率比未使用結(jié)構(gòu)光照明的對照實驗提高了約1.8倍(圖2)。

圖1 偏振超表面生成遠場三步相移結(jié)構(gòu)光的示意圖

圖2標準分辨率測試成像圖。從左往右依次為無結(jié)構(gòu)光圖像、基于結(jié)構(gòu)光照明重建的圖像、僅包含高頻信息的重建圖像

研究成果以“Far-Field Phase-Shifting Structured Light Illumination Enabled by Polarization Multiplexing metasurface for Super-Resolution Imaging” 為題，近期發(fā)表于Nano Letters上。

該工作展示了所提出的超表面平臺為開發(fā)緊湊且魯棒的相移成像系統(tǒng)提供了一種有前景的方法，并在定量檢測、機器視覺和其他應(yīng)用中具有廣闊的前景。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院21級博士生周倩葦，電子科學(xué)與工程學(xué)院副研究員楊程以及現(xiàn)工院21級博士林沛城為共同第一作者，通訊作者為南京大學(xué)徐挺教授和陸延青教授。本研究得到了科技部重點研發(fā)計劃等項目的資助以及固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室提供的技術(shù)支持。

來源：南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院、天下為工   作者：徐挺、陸延青