超构透镜共聚焦成像方法不仅实现了现有共聚焦显微镜的小型化，更革新性地利用光谱作为深度扫描手段，取代了传统的机械调焦方式，从而为构建紧凑型、高通量且机械结构简化的三维成像系统开辟了新途径。

图：林育杰（左）手持该团队开发的超构透镜，其右侧为刘智文教授。

共聚焦显微镜是一种无损成像技术，能够滤除离焦杂散光并生成高分辨率光学切片，因此在三维（3D）成像中极具价值。但问题在于大多数共聚焦系统仍然依赖机械轴向扫描来获取深度信息，而遗憾的是，这一扫描步骤增加了系统复杂度、拖慢了图像采集速度，也使系统难以实现小型化。

这一长期存在的局限促使宾夕法尼亚州立大学的研究人员思考：我们能否在实现系统小型化的同时，在不物理移动透镜、样品或焦平面的前提下获取深度信息？

“因此我们决定探索超构透镜能否改变这一局面，”电气工程专业博士生林育杰（Yu-Jie Lin）表示。“在传统光学设计中，色差通常被视为需要校正的问题，因为不同颜色的光会聚焦在不同位置。而在这项工作中，我们将这个‘问题’转化为了系统的工作原理。”

超构透镜是一种平面光学元件，由厚度极薄、尺寸小于光波长的纳米结构（即超构原子）构成。每个超构原子对光波进行局部调控，它们共同塑造波前，从而实现透镜的功能。相比之下，传统透镜则依赖弯曲的玻璃表面使光线折射并汇聚。

 “我们的系统无需在轴向进行机械扫描，而是直接从反射光谱中读取深度信息，”林育杰说。

研究人员还“希望证明超构光学不仅能将透镜做得更薄，还能催生全新的成像架构，”电气工程教授倪行杰（Xingjie Ni）补充道。“我们的工作探索了超薄超构透镜如何将色散转化为一种紧凑、无扫描、高信息容量的三维共聚焦成像编码器。”

超构透镜共聚焦成像

大多数共聚焦成像系统通过沿轴向物理扫描焦平面或样品来获取深度信息。“我们的方法用波长编码取代了这一机械扫描，”电气工程教授刘智文（Zhiwen Liu）表示。“超构透镜将每个波长聚焦到不同的深度，从而并行创建出多个深度通道。”

另一种理解方式是：超构透镜沿光轴方向产生一道“彩虹”般的焦点序列，当样品反射光时，光谱便能揭示共聚焦信号来自哪个深度。通过光谱仪测量该光谱，即可直接获得轴向信息。

该方法结合了三个关键要素：一个高色散超构透镜、宽带照明光源，以及一根同时充当光传输/收集路径和共聚焦针孔的单模光纤。这三个要素使得在毫米级范围内实现并行深度分辨共聚焦成像成为可能。

与先前基于超构透镜的色散共聚焦演示相比，该团队的系统在1.3毫米深度范围内实现了大得多的轴向空间带宽积（约68）。简而言之：它能在紧凑的光学架构中分辨出更多的深度位置。

“这项工作中最令人兴奋的一点是，我们发现色差可以成为三维成像的核心机制，”林育杰说。“对许多光学系统而言，色差被视为缺陷，因为它使不同颜色的光聚焦在不同位置。而同样的效应在这里变成了有用的信号——不同颜色被有意地分配给不同的深度。”

这一视角的转变至关重要，因为研究人员不再试图消除色散，而是转而利用它。其成果是一个紧凑型系统，其中光谱信息被直接转换为深度信息。

“一个特别令人难忘的‘顿悟’时刻是，当我们用白光通过光纤照明系统时，直接用肉眼就能看到从超构透镜沿轴向方向射出一道彩虹般的焦点线。这是对波长-深度映射关系的简单而直观的视觉验证，而这一映射正是整个成像概念的基础，”林育杰说。

该团队基于超构透镜的共聚焦成像系统工作原理概览。

超构透镜设计工作

该团队超构透镜设计的一个关键部分是在提供强色散焦距偏移的同时保持良好的聚焦性能。“我们希望焦点随波长发生显著移动，从而使系统覆盖较大的深度范围——但同时我们也需要每个波长都能聚焦得足够好，以保证共聚焦分辨率，”电气工程专业博士生赵灵菡（Linghan Zhao）说。

为此，他们利用解析建模来理解轴向信息容量如何取决于设计参数，如数值孔径、孔径尺寸、波长范围和轴向分辨率。这有助于指导整体系统设计，并通过轴向空间带宽积提供了一个量化目标。

研究人员还使用电磁全波仿真来设计构成超构透镜的氮化硅纳米结构。“在高数值孔径区域，相位在器件上变化迅速，这使得局部光学响应尤为重要，”赵灵菡指出。“设计需要对相位、色散和衍射效率进行精细控制。建模不仅仅是最后的验证环节——它对于理解如何针对这一特定成像功能来设计超构透镜至关重要。”

图：一枚25美分硬币的表面轮廓测量与光学切片结果，横向步长为10微米（硬币向超构透镜方向倾斜，以对应长波长照明的焦平面）。在每个横向位置，研究人员记录一个反射光谱，从而能够通过不同的处理策略从同一光谱数据集中导出两种重建模式——表面轮廓测量和光学切片。

面临的若干挑战

一个重要的挑战是光学信号吞吐量。“在反射式共聚焦成像中，从陡坡、尖锐边缘或粗糙表面反射的光可能无法有效耦合回光纤，”林育杰说。“当这种情况发生时，这些区域内的深度反演可能变得不太可靠。”

另一个挑战是在强散射环境（如生物组织）中成像。“散射会降低信号强度、扭曲反射光谱，并使深度重建更加困难，”林育杰说。“解决这个问题可能需要进一步的优化，以及在光学设计、收集效率和计算重建方面的改进。”

超构透镜本身也有提升空间。“未来的设计可以追求更高的效率、更大的轴向空间带宽积、更好的制造均匀性，以及与光纤或内窥镜平台更紧凑的集成，”林育杰说。

宾夕法尼亚州立大学刘智文教授和倪行杰教授研究团队成员。

纳米级超构透镜将色散转化为优势

该团队的工作确立了概念验证，并通过实验证明，超构透镜能够将色散——传统上被视为光学系统中的有害像差——转化为一种强大的并行深度分辨共聚焦成像机制。“我们的下一步是将这项技术从演示推向实际应用，具体包括提高光学效率、增加轴向信息吞吐量，并在更复杂的成像环境中测试该系统，”林育杰说。

他们的纳米结构超构透镜在表面轮廓测量和光学检测方面展现出潜力——在这些应用中，紧凑、高分辨率、无需扫描的深度测量可以为微光学器件、半导体器件和精密制造部件提供即时价值。“同样的概念还能催生新一代紧凑型三维光学仪器，包括无运动部件即可捕获深度信息的微型共聚焦探头、更快速的工业检测工具，以及用于生物医学应用的光纤兼容内窥镜成像系统，”林育杰补充道。