北理工團隊在超構(gòu)透鏡和單像素成像研究方面取得重要進展
發(fā)布日期：2025-11-20 供稿：物理學院 攝影：物理學院
編輯：王莉蓉 審核：陳珂 閱讀次數(shù)：
近日，北京理工大學物理學院量子技術(shù)研究中心姚旭日、趙清團隊在緊湊型單像素成像領(lǐng)域取得重要進展。該團隊創(chuàng)新性地利用超構(gòu)透鏡，成功實現(xiàn)了單光子級別的顯微單像素成像。相關(guān)成果以“Miniaturized Single-Photon Level Computational Complex Field Imaging System via Meta-Optics”為題發(fā)表于《Advanced Optical Materials》（Adv. Optical Mater. 2025, Volume 13, Issue 32），并被選為期刊封面文章。
該研究工作得到了北京理工大學青年學者研究基金和德國Helmholtz Association (Solar Technology Acceleration Platform)等項目的大力支持。北京理工大學為本工作的第一完成單位，合作單位包括昆明物理研究所和德國卡爾斯魯厄理工學院（KIT）。論文第一作者為北京理工大學物理學院與昆明物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生王煜昊。通訊作者為北京理工大學姚旭日副教授、趙清教授，以及德國卡爾斯魯厄理工學院金琦浩博士與Uli Lemmer教授。 北京理工大學博士研究生邵崇武、李世劍博士后，卡爾斯魯厄理工學院張喬爽博士、Judith K. Hohmann博士、Alban Muslija工程師，以及中科院微電子所李志剛博士在超構(gòu)透鏡制備和成像算法方面做出了重要貢獻。
超構(gòu)透鏡是一種基于亞波長微納結(jié)構(gòu)設(shè)計的光學器件，能夠?qū)鈭龅恼穹?、相位和偏振等參?shù)進行靈活而精確的調(diào)控。相比傳統(tǒng)光學元件，超構(gòu)透鏡具有重量輕、厚度薄、易于集成等顯著優(yōu)勢，已成為光學領(lǐng)域的研究熱點。盡管其應(yīng)用已被廣泛探索，但將其與單像素成像技術(shù)結(jié)合、構(gòu)建緊湊型低光照成像系統(tǒng)的研究仍有待深入。
該研究提出并實現(xiàn)了一種基于超構(gòu)透鏡的緊湊型單像素顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)將超構(gòu)透鏡和主動照明單像素成像進行高效集成。相比于傳統(tǒng)的顯微成像系統(tǒng)和其它單像素顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)從DMD到PMT的距離尺寸大約為4厘米。
圖1. 制備的超構(gòu)透鏡和表征結(jié)果
圖2. 基于超構(gòu)透鏡的緊湊型顯微成像系統(tǒng)
通過超構(gòu)透鏡高分辨率結(jié)構(gòu)投影，以及單像素成像在低光條件下的魯棒性，該系統(tǒng)成功重建最小尺寸為12微米的目標圖像，其結(jié)構(gòu)相似度（SSIM）為0.7993，峰值信噪比（PSNR）為18.05eB。尤為突出的是，該系統(tǒng)在極微弱光照（1.7光子/像素/秒）的單光子級別條件下，成功重建了17.5微米的目標圖像。
圖3. 低光照下微小目標圖像重建
此外，該系統(tǒng)除了高質(zhì)量重建生物樣本的振幅圖像外，還對相關(guān)樣本的相位圖像進行重建，使得該系統(tǒng)具有對復雜光場成像的功能。
圖4. 細胞振幅和相位圖像重建
該研究工作展示了一個高度緊湊且具備單光子靈敏度的顯微成像平臺，在活細胞低光照成像以及未來便攜式顯微成像設(shè)備開發(fā)等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。
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