近日，南京大学徐挺教授和陆延青教授团队在结构光照明显微成像领域取得新进展。研究团队利用偏振复用的超构表面实现了三步相移结构光，通过照明物体成功实现了超分辨成像。
相移结构光照明是一种在各种成像系统中广泛采用的光学技术，例如光片显微镜和超分辨显微镜。通过将条纹结构光投影到物体上并使用相移技术提取相位信息，可以重建物体的深度、轮廓或形态。然而，机械控制导致系统稳定性差、精度低。尽管光电元件如空间光调制器、数字微镜器件等提高了相移控制精度，但其微米级像素需要物镜进一步提高结构光频率，增加了系统复杂性，限制了光学系统的缩小。另外，金属超构表面虽可生成相移结构光，但金属的光学损耗和表面等离激元的近场传播限制影响了成像质量和应用范围。
这项工作中，研究团队提出并展示了一种基于介质偏振复用超表面实现远场相移结构光照明的方法。通过控制纳米结构的几何相位和传播相位，将三个二元光栅相位编码到一个单层超表面上。这三个光栅具有相同的周期，并且它们的相位分布表现出等距的横向位移。通过不同的入射光和透射光的偏振状态组合，超表面能够实现相移功能，从而无需样品或光源位移，并提供了稳定的操作性能(图1)。为了验证该方案，团队将该超表面应用于透射式相干结构光照明显微镜系统，在基于超表面的结构光照明显微实验中，通过使用标准分辨率测试图作为成像对象，沿相移方向的成像分辨率比未使用结构光照明的对照实验提高了约1.8倍(图2)。
图1 偏振超表面生成远场三步相移结构光的示意图
图2标准分辨率测试成像图。从左往右依次为无结构光图像、基于结构光照明重建的图像、仅包含高频信息的重建图像
研究成果以“Far-Field Phase-Shifting Structured Light Illumination Enabled by Polarization Multiplexing metasurface for Super-Resolution Imaging” 为题，近期发表于Nano Letters上。
该工作展示了所提出的超表面平台为开发紧凑且鲁棒的相移成像系统提供了一种有前景的方法，并在定量检测、机器视觉和其他应用中具有广阔的前景。南京大学现代工程与应用科学学院21级博士生周倩苇，电子科学与工程学院副研究员杨程以及现工院21级博士林沛城为共同第一作者，通讯作者为南京大学徐挺教授和陆延青教授。本研究得到了科技部重点研发计划等项目的资助以及固体微结构物理国家重点实验室提供的技术支持。
来源：南京大学现代工程与应用科学学院、天下为工 作者：徐挺、陆延青
