圖1. 制備的超構透鏡和表征結果

近日，北京理工大學物理學院量子技術研究中心姚旭日、趙清團隊在緊湊型單像素成像領域取得重要進展。該團隊創新性地利用超構透鏡，成功實現了單光子級別的顯微單像素成像。相關成果以“Miniaturized Single-Photon Level Computational Complex Field Imaging System via Meta-Optics”為題發表于《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合培養博士研究生王煜昊。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透鏡制備和成像算法方面做出了重要貢獻。

超構透鏡是一種基于亞波長微納結構設計的光學器件，能夠對光場的振幅、相位和偏振等參數進行靈活而精確的調控。相比傳統光學元件，超構透鏡具有重量輕、厚度薄、易于集成等顯著優勢，已成為光學領域的研究熱點。盡管其應用已被廣泛探索，但將其與單像素成像技術結合、構建緊湊型低光照成像系統的研究仍有待深入。

該研究提出并實現了一種基于超構透鏡的緊湊型單像素顯微成像系統，該系統將超構透鏡和主動照明單像素成像進行高效集成。相比于傳統的顯微成像系統和其它單像素顯微成像系統，該系統從DMD到PMT的距離尺寸大約為4厘米。

圖2. 基于超構透鏡的緊湊型顯微成像系統

通過超構透鏡高分辨率結構投影，以及單像素成像在低光條件下的魯棒性，該系統成功重建最小尺寸為12微米的目標圖像，其結構相似度(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，該系統除了高質量重建生物樣本的振幅圖像外，還對相關樣本的相位圖像進行重建，使得該系統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備開發等領域展現出巨大的應用潛力。

審核編輯 黃宇