通过超光学技术实现微型化的单光子级计算复杂场成像系统

《Advanced Optical Materials》：Miniaturized Single-Photon Level Computational Complex Field Imaging System via Meta-Optics

本工作提出一种紧凑的金属透镜与单像素成像结合的系统，可在单光子水平实现高分辨率振幅和相位成像，适用于活细胞低光条件下的生物显微成像。

　　在当今科技迅速发展的背景下，微型化与高精度的光学系统正逐渐成为科学与工业领域中不可或缺的技术工具。特别是在微观成像领域，传统的成像设备通常依赖于体积庞大、结构复杂的光学元件，这不仅增加了设备的体积和成本，也限制了其在某些特定应用场景中的灵活性和实用性。近年来，金属透镜（metalens）作为一种新型的平面光学元件，凭借其亚波长纳米结构的设计，为实现更紧凑、高效、高分辨率的成像提供了全新的解决方案。与此同时，单像素成像（single-pixel imaging, SPI）技术作为一种基于计算的成像方法，因其低成本、高效率以及对光信号的灵活操控能力，逐渐成为研究的热点。本文提出了一种将金属透镜与单像素成像技术相结合的微型化成像系统，不仅实现了高分辨率的结构光投影，还能够在极低光条件下同时获取目标的振幅和相位信息，为生物样本的高精度成像，特别是活细胞成像领域，带来了革命性的进展。

金属透镜是一种由人工设计的亚波长纳米结构组成的平面光学元件，其核心原理是通过调整纳米结构的形状、尺寸、排列方式以及材料特性，实现对光波的精确调控。这些纳米结构能够在纳米尺度上操控光的传播方向、振幅和相位，从而替代传统的透镜结构，使得整个成像系统更加紧凑。这种技术在许多领域展现出广泛的应用前景，例如显微成像、全息显示、光束模式调控、光谱分析等。相比于传统光学系统，金属透镜在实现小尺寸和高分辨率的同时，还能够显著降低系统的复杂度和成本，为实现便携式、低成本的成像设备提供了基础。

另一方面，单像素成像技术则利用单点探测器和数字微镜器件（DMD）或空间光调制器（SLM）等设备，通过编码的结构光对目标进行照明或调制，从而实现图像的采集与重建。该技术基于压缩感知（compressive sensing, CS）理论，能够通过有限的测量数据重构高质量的图像。单像素成像的优势在于其高通量特性，即使在单光子级别的光照条件下，也能保持良好的成像性能。这使得它在需要低光量、高灵敏度的应用中，如生物成像、医学诊断、天文观测等，具有独特的价值。此外，单像素成像系统还具备尺寸缩减的特性，能够将高维空间信息转换为低维强度信号，从而简化成像过程，提升系统整体的效率。

将这两种技术结合，能够进一步推动微型化成像系统的进步。在本文中，研究人员设计了一种基于金属透镜的单像素显微成像系统，其关键创新在于利用金属透镜实现高分辨率的结构光投影，同时采用单像素成像方法，通过计算重构目标的振幅和相位信息。这一系统能够显著减少传统成像系统中所需的光学组件数量，使得整个成像过程更加紧凑和高效。在实验中，系统能够将8192个Hadamard掩模图案投影到微观样本上，同时通过单像素探测器获取相应的强度信息。通过高效的单像素成像算法，研究人员能够在低光条件下实现高精度的图像重建，例如在单光子水平（1.7 photons/pixel/s）下，系统仍能成功重构目标的细节，包括12 μm和17.5 μm级别的结构特征。这一成果不仅验证了系统在低光成像中的优异性能，也为其在生物成像等对光损伤敏感的应用中提供了可靠的技术支撑。

在实际实验中，研究人员采用了多种生物样本进行测试，包括运动神经元细胞、百合子房细胞和节蕨孢子细胞。这些样本的直接图像由CCD相机获取，而通过本文提出的系统重构的振幅图像和相位图像则展示了其在复杂成像领域的强大能力。系统不仅能够清晰地分辨出细胞壁、细胞核等结构特征，还能精确地获取细胞内部的相位信息，为生物成像提供了全新的视角。在这些实验中，研究人员发现系统在80%的采样率下能够达到较高的图像质量，SSIM值为0.7993，PSNR值为18.05 dB，而在更极端的单光子光照条件下，系统依然能够有效重构图像，这进一步凸显了其在低光环境下的稳定性与灵敏度。

此外，为了确保系统的性能，研究人员对金属透镜的光学特性进行了详细分析和测试。他们使用了一种基于有限差分时域（FDTD）方法的仿真软件，对金属透镜的聚焦性能、衍射效率以及空间分辨率进行了评估。在仿真过程中，研究人员选择了532 nm作为单一波长的入射光，以避免色差对成像质量的影响。金属透镜的纳米结构采用立方体设计，具有固定的尺寸和排列方式，以实现精确的相位调控。为了确保系统在实际应用中的性能，他们还对金属透镜的制造工艺进行了深入研究。整个制造过程包括磁控溅射沉积、电子束光刻、干法刻蚀等步骤，这些步骤不仅确保了纳米结构的高精度制造，还提升了系统的整体性能。

在实验过程中，研究人员采用了多种优化策略，以提升系统的稳定性和成像质量。例如，他们使用了线性偏振片和四分之一波片，以确保只有左旋圆偏振光（LCP）进入金属透镜，从而减少由右旋圆偏振光（RCP）引起的光散射和背景噪声。此外，为了提高系统的效率，他们采用了Hadamard差分调制策略，使得系统能够在减少测量次数的情况下，依然获得高质量的图像信息。这种策略有效消除了由RCP光引起的光扩散效应，使得图像的重建更加准确和高效。

在实际应用中，该系统具备高度的灵活性和可扩展性，能够适用于多种不同的成像需求。其紧凑的结构使得它特别适合于便携式设备或空间受限的实验环境。例如，在细胞生物学研究中，系统能够在不损伤细胞的前提下，提供高分辨率的图像信息，这对于活细胞的长期观察和动态分析至关重要。在医学诊断领域，系统可以用于高灵敏度的成像设备，以检测极微弱的光信号，从而提升诊断的准确性。在工业检测中，系统也可以用于对微小结构的高精度成像，帮助研究人员更清晰地观察和分析微米级别的特征。

综上所述，本文提出了一种将金属透镜与单像素成像技术相结合的微型化成像系统，其核心优势在于紧凑的设计、高效的光操控能力和在低光环境下的优异性能。通过实验验证，该系统不仅能够在常规光照条件下实现高质量的成像，还能够在单光子级别的光照条件下成功重构图像，这使其在生物成像、医学检测和工业应用等多个领域展现出广阔的应用前景。此外，该系统的可扩展性和模块化设计也为其未来在更多复杂场景中的应用提供了可能。随着光学材料和制造技术的不断进步，这种结合了金属透镜与单像素成像的系统有望成为下一代微型光学成像设备的重要组成部分，为科学研究和工程应用带来新的机遇。