Metalens实现了微型显微镜成像原型

南京大学的研究人员已经开发了一种金属结合成像设备(MIID)和厘米级显微成像原型,打破了FOV的限制。

图1.器件架构和金属件制造:MIID的光学设置示意图(a),高度紧凑的MIID的照片(b)以及所制造的俯视图光学显微镜图像和侧视图SEM图像α-直径为200的金属硅μm (c).
图1.器件架构和金属件制造:MIID的光学设置示意图(a),高度紧凑的MIID的照片(b)以及所制造的俯视图光学显微镜图像和侧视图SEM图像α-直径为200的金属硅μm (c).
(图片来源:南京大学)

显微镜成像分辨率和性能改进通常需要大而重的折射光学元件。但是,在设计用于移动广角显微镜或其他成像应用的紧凑型成像设备时,工程师们寻求的薄型,轻巧,高能效和扁平的系统架构是当今移动设备中发现的。

一些研究人员通过 无镜头成像通过丢弃折射透镜来实现薄型成像系统设计。这种方法的核心是这样一个概念,即从物体上衍射的光包含有关该物体的所有信息,即使在显微镜的像平面内未检测到该光。不幸的是,从衍射图案中检索视觉信息所需的照明源和计算成像技术限制了这种技术在时间和功率受限的应用中的适用性。

Metalenses为超紧凑和宽视场成像提供了更节能的解决方案。至少这就是中国南京大学工程与应用科学教授陶力的观点。为了追求紧凑的集成显微镜系统,Li的团队将金属元件安装在CMOS图像传感器上,以创建硬币大小的成像设备的原型。他们的金属集成成像设备(MIID)展现了超紧凑的体系结构,有效成像距离为数百微米。通过简单的图像拼接过程,他们可以获得具有大视场(FOV)和高分辨率的宽视场显微镜成像。

扁平金属优势

集成带来的好处越少,尤其是在设计袖珍型显微镜时。这就是为什么Li的团队将Metalenses直接集成到CMOS图像传感器上以显示出扁平Metalens的主要优势的原因。金属感由非晶硅(α-Si)纳米柱组成,纳米柱由SiO上的几何Pancharatnam–Berry(PB)相设计而成2 基板,其中硅材料用于与完全基于CMOS的器件的潜在兼容性。在对成像质量的分辨率,信噪比(SNR)和FOV进行了仔细表征之后,研究人员证明了该MIID由于较大的色散而具有进行光谱聚焦调谐的能力,并克服了镜头的局限性的无阴影图像无法解析对象的景深(DOF)。

为了消除多图像拼接中的盲区,他们使用了偏振多路复用双相(PMDP)设计(相对于两个圆偏振)来访问两组具有互补图像区域的镜头。仅通过切换偏振而没有任何机械运动,就可以完成完整的拼接宽视场图像。结果,研究人员获得了具有毫米级图像区域(可扩展至整个厘米级CMOS传感器)的高分辨率图像(约1.74μm,几乎受图像传感器像素限制),最终实现在约3厘米范围内尺寸的设备原型。这种超紧凑型显微镜系统有望在高分辨率,大FOV和可调谐DOF成像方面为金属元带来更多激动人心的应用。

Metalens集成

MIID imaging setup schematics (see Fig. 1) show the optically clear adhesive (OCA) tape (69402) from Tesa (Norderstedt, Germany) that is used to transfer and fix the metalens on a DMM 27UJ003-ML USB 3.0 monochrome board camera from The Imaging Source (Charlotte, NC), which uses an 安森美半导体 (Phoenix, AZ) MT9J003 CMOS image sensor with 1.67 × 1.67 μm pixel size. The OCA is employed for its colorless transparency with high transmittance (>90%) in the visible and near-infrared ranges. The OCA tape, also used as the spacer medium of integration, provides a well-defined stationary thickness.

一旦将金属元素安装在CMOS图像传感器上,成像距离就固定了,可以通过平移平台调节物距u(金属元素与对象之间的距离)来获取清晰的图像。图1b显示了高度紧凑的MIID(此处,v = 500μm)的照片。应该注意的是,由于金属元的图像空间和对象空间中的介质层都很复杂,因此这里的参数(u; v)是有效的,包含了介质的影响。

对于不相干的单色照明光源,研究人员使用了宽带卤素灯,该灯带有Thorlabs(Newton,NJ)的带宽为10 nm的带通滤光片。添加四分之一波片(QWP,Thorlabs,AHWP05M-600)和线性偏振器(LP,Thorlabs,WP25M-VIS)以正确选择入射圆偏振态。 MIID安装在平移平台(Thorlabs,MBT616D / M)上,可以沿光学方向仔细调节。

金属元素成像表征

研究人员使用1951年美国爱德蒙光学公司(美国新泽西州巴灵顿)的积极美国空军高分辨率目标作为成像目标,研究人员首先在不放大的情况下表征了单个α-Si金属在MIID上的成像能力,然后再次进行了表征。具有1.5倍的图像放大倍率(见图2)。绘制强度分布,信号,噪声和图像对比度。研究人员还获得了具有恒定500μm成像距离的各种波长的目标图像,并确定由于金属元素的色散,焦距在较短波长下更长,这导致数值孔径(NA)和变焦倍数减小。以恒定的成像距离成像。通过在玻璃盖玻片的顶部和底部施加两个微型样品,研究人员确定MIID能够在没有机械移动的情况下获取物体的深度。更重要的是,具有偏振多路复用的金属阵列被用于实现宽视场成像,这打破了分辨率和视场之间的联系。图2. MIID的光谱缩放:1951年USAF分辨率测试图(第6组)的图像,取自MIID,波长为560、580、600、610、620和630 nm。整个图像表示金属区域,蓝色虚线圆表示图像区域(a)。盖玻片上方和下方的字符DSL和NJU双面样本的光学图像;比例尺= 25μm(b)。 MIID在不同波长下捕获的双面物体的图像,其中在λ= 660 nm处获得清晰的NJU,在λ= 580 nm处获得DSL(c)。图2. MIID的光谱缩放:1951年USAF分辨率测试图(第6组)的图像,取自MIID,波长为560、580、600、610、620和630 nm。整个图像表示金属区域,蓝色虚线圆表示图像区域(a)。盖玻片上方和下方的字符DSL和NJU双面样本的光学图像;比例尺= 25μm(b)。 MIID在不同波长下捕获的双面物体的图像,其中在λ= 660 nm处获得清晰的NJU,在λ= 580 nm处获得DSL(c)。(图片来源:南京大学)

尽管MIID的性能仍低于传统显微镜和某些无透镜计算成像设备,但李总结认为,采用低损耗材料(例如GaN和SiN)和高纵横比的纳米柱元件进行优化的机会会改善缝合伪影,背景噪音,以及金属元素的相对较低的工作效率。此外,像素较小的CMOS传感器的未来发展也将提高MIID功能以实现更高的分辨率。

参考

1. Xu等, 进阶光子学 2,6,066004(2020); //doi.org/10.1117/1.ap.2.6.066004.

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