光學(xué)技術(shù)一直伴隨著人類文明的進(jìn)步而不斷演進(jìn)。當(dāng)前，人類社會邁入信息時代，光學(xué)技術(shù)在信息的獲取、傳輸、交互、表達(dá)等方面已經(jīng)展示出無與倫比的能力和重要性。與之相應(yīng)的，光學(xué)元器件的發(fā)展進(jìn)步也隨著光學(xué)材料、加工手段、系統(tǒng)設(shè)計的進(jìn)步發(fā)生著深刻的變革。微納光學(xué)是新世紀(jì)以來蓬勃發(fā)展的研究領(lǐng)域，超構(gòu)光子學(xué)是其一個重要分支，它關(guān)注亞波長尺度下操控光的傳播，為光學(xué)器件和技術(shù)帶來新的設(shè)計思想和方案。

南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院副院長李濤教授，長期從事微納光子學(xué)方向的研究，在光學(xué)超構(gòu)材料、光子集成等領(lǐng)域積累了一批原創(chuàng)性成果。近些年來，他帶領(lǐng)團隊積極開展技術(shù)創(chuàng)新，對超構(gòu)透鏡進(jìn)行了色散調(diào)控、陣列設(shè)計、偏振復(fù)用等功能拓展與提升，并與CMOS圖像傳感器集成，先后開發(fā)研制了消色差平面透鏡、超構(gòu)顯微鏡、平面廣角相機等高集成的光學(xué)成像器件，正在向技術(shù)應(yīng)用邁進(jìn)。同時，也在表面等離激元、光波導(dǎo)集成等方面取得了一系列創(chuàng)新性成果，并多次入選中國光學(xué)重要成果與十大進(jìn)展。

圖1 李濤教授（左一）與研究團隊。

設(shè)計原理屢創(chuàng)新 超構(gòu)透鏡色差除

說到成像，很多人都不會陌生，我國春秋時代《墨經(jīng)》中記載了“小孔成像”的故事。不過真正大規(guī)模的成像技術(shù)源自于折射型透鏡的發(fā)明。由于成像原理的限制（如傍軸條件）、介質(zhì)色散、光波長范圍等因素，單個折射透鏡的成像存在像差、色差、分辨率極限、視場范圍等性能限制，提升綜合成像性能一直以來都是大家追求的目標(biāo)。

李濤介紹說，超構(gòu)表面是通過一薄層具有納米結(jié)構(gòu)的平板對光場進(jìn)行任意操控，實現(xiàn)如透鏡聚焦、全息成像、偏振調(diào)控等功能。在此前研究中，科學(xué)家已經(jīng)展示了利用平板超構(gòu)透鏡達(dá)到媲美傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的成像效果。但是，此類新原理鏡頭走向應(yīng)用還面臨幾項重要挑戰(zhàn)，如何實現(xiàn)器件的寬帶消色差就是其中之一。針對這一問題，李濤研究組聯(lián)合臺灣大學(xué)蔡定平研究組在寬帶消色差超構(gòu)表面器件上取得重要進(jìn)展，他們提出了集成共振的新方案并與幾何相位結(jié)合，成功設(shè)計并演示了同期國際上最寬帶的反射型消色差聚焦。隨后，聯(lián)合團隊進(jìn)一步將該調(diào)控相位的方法推進(jìn)到可見光波段，成功研制了世界上首例覆蓋全可見光波段（400－660 nm）的消色差超構(gòu)透鏡，相關(guān)成果獲得“2018年中國光學(xué)十大進(jìn)展”，并被國際同行廣泛關(guān)注。

盡管相關(guān)成果展示了超構(gòu)透鏡寬帶消色差的能力，但所報道的消色差透鏡的尺寸非常小，通常在百十微米口徑，很難滿足現(xiàn)有光學(xué)系統(tǒng)廣泛的應(yīng)用。針對此瓶頸問題，李濤近期帶領(lǐng)團隊提出了光場相干性及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的多階衍射透鏡設(shè)計方案，并與合作者一起成功研制出口徑達(dá)1厘米的消色差平面透鏡，其消色差范圍覆蓋全部可見光到近紅外波段（400－1100nm），是迄今國際上綜合性能最高的光波段消色差平面透鏡。超構(gòu)透鏡領(lǐng)域知名專家蔡定平教授為此工作專文評述。目前，研究人員已用此透鏡進(jìn)行外景拍攝，并且正在將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法與之結(jié)合，有望開發(fā)出具有實用性的光學(xué)系統(tǒng)。

另辟蹊徑破瓶頸 透鏡陣列有妙用

像差是成像性能的另一個重要性能指標(biāo)。超構(gòu)透鏡通常具有比較大的軸外像差（慧差），這使其成像的有效視場范圍非常受限。國際上有包括哈佛大學(xué)、中科院光電所等著名研究組針對消慧差問題開展了創(chuàng)新設(shè)計，并取得的一系列進(jìn)展。不過，目前所展示的消像差、擴視場的效果還存在各種不足，比如通光孔徑受限、成像質(zhì)量下降等。

李濤研究組另辟蹊徑采用超構(gòu)透鏡陣列的方式來進(jìn)行視場角的擴展，成功將單個超構(gòu)透鏡僅有30度左右的視場角范圍通過陣列擴展到120度，同時在每個角度下成像質(zhì)量都保持最優(yōu)，不受慧差、畸變、場曲等影響。李濤表示，該方案其實是一個很樸素的思想，既然每個超構(gòu)透鏡的視場角很有限，不妨就設(shè)計一系列透鏡，讓每個透鏡只負(fù)責(zé)一定的角度范圍，然后把不同角度圖像進(jìn)行拼接。此方案中，超構(gòu)透鏡相位設(shè)計的靈活的優(yōu)勢得以發(fā)揮，僅在同一個平面可以完成不同入射角度下的超構(gòu)透鏡設(shè)計。由此構(gòu)建的廣角相機是完全平面結(jié)構(gòu)，總體成像厚度僅為3毫米，顛覆了人們對廣角魚眼透鏡的想象。該工作也入選了“2022中國光學(xué)十大進(jìn)展”。李濤補充道，此工作目前還是一個原理驗證，想要同時完成消色差、大口徑的透鏡陣列來實現(xiàn)高質(zhì)量廣角成像還有艱巨的挑戰(zhàn)。

在顯微成像領(lǐng)域，寬視場與高分辨的制約問題一直是高通量顯微觀測的主要瓶頸。李濤研究組同樣發(fā)展了超構(gòu)透鏡陣列設(shè)計，可以繞過傳統(tǒng)成像系統(tǒng)的空間帶寬積限制，讓成像分辨率與視場范圍解耦。他們成功設(shè)計超構(gòu)透鏡陣列與CMOS芯片集成，成像范圍可由微透鏡陣列的個數(shù)進(jìn)行拓展，同時保持單個透鏡成像分辨率不變。需要說明的是，該方案是基于兩組偏振復(fù)用的聚焦相位，互相之間偏移半個周期，可通過偏振切換補償視場盲區(qū)而獲得完整的寬視場顯微成像。這種基于超構(gòu)透鏡陣列的成像芯片的構(gòu)建在提升顯微成像性能的同時，大大增加了器件的便攜性，有望為醫(yī)療診斷開辟新技術(shù)范式。

圖2 基于超構(gòu)透鏡陣列的平面廣角相機獲得2022中國光學(xué)十大進(jìn)展。

成像技術(shù)新篇章 芯片超構(gòu)顯微鏡

一直以來，顯微成像在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，光學(xué)顯微鏡作為疾病診斷的媒介有著不可取代的地位。如上所述，傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡在高分辨率下的視野顯著縮小，景深受限需要機械調(diào)焦，這些都不利于高通量的觀察化驗與病灶診斷。另外，龐大笨重、高成本的顯微鏡不利于便攜式應(yīng)用場景，如急救場所、野外作業(yè)、社區(qū)家庭等。近年來，隨著現(xiàn)代生產(chǎn)生活的需要，小巧便攜式的成像系統(tǒng)越來越受歡迎，對光學(xué)顯微鏡的高度集成化和小型化提出了挑戰(zhàn)。

由此，李濤帶領(lǐng)團隊基于之前透鏡陣列設(shè)計，成功研制出集成了LED照明光源、液晶起偏器、超構(gòu)CMOS成像芯片的顯微鏡系統(tǒng)——芯片式超構(gòu)顯微鏡。整個樣機非常“迷你”，尺寸僅為3－5厘米，體積重量不到傳統(tǒng)顯微鏡的千分之一，且透鏡陣列設(shè)計使其成像視場達(dá)到傳統(tǒng)商用顯微鏡同分辨率下視場范圍的4－7倍。目前，超構(gòu)顯微鏡實現(xiàn)了4×4 mm2的視場，1．74 μm的分辨率（可進(jìn)一步提升），約200 μm的景深，同時具備了高分辨、高像質(zhì)、寬視場、大景深。研究團隊還在進(jìn)行整機后期的優(yōu)化，盡快能夠完成遠(yuǎn)程控制的寬視場、大景深、多波長、高通量、多模態(tài)顯微成像技術(shù)。

該芯片式超構(gòu)顯微鏡將超薄的超構(gòu)透鏡與CMOS圖像傳感芯片結(jié)合，充分利用了兩者平板超薄的優(yōu)勢二者相得益彰；并且，偏振復(fù)用的超構(gòu)透鏡陣列設(shè)計拓展了視場范圍和景深限制；再者，完全遠(yuǎn)程控制無需手動調(diào)節(jié)大大擴大了適用場景。該顯微鏡突破了傳統(tǒng)顯微物鏡的成像架構(gòu)，其超小型成像模塊為特殊環(huán)境下的顯微觀察與監(jiān)控成為可能，如細(xì)胞培養(yǎng)箱、運動環(huán)境、輻照環(huán)境下的應(yīng)用場景，有望為病理診斷、細(xì)胞研究、制藥工業(yè)等領(lǐng)域帶來一場革命。李濤研究組正依托南智光電研究院將此技術(shù)推向應(yīng)用，目前已經(jīng)將樣機交付客戶單位試用，進(jìn)行數(shù)據(jù)積累。進(jìn)行技術(shù)開發(fā)的研究生團隊也因該項目“芯片式超構(gòu)顯微鏡——開啟生命科學(xué)顯微成像新篇章”榮獲中國國際“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽全國銅獎、江蘇省一等獎等榮譽。

圖3研究團隊因“芯片式超構(gòu)顯微鏡”項目在第八屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)＋”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲全國銅獎、江蘇省一等獎。

山高路遠(yuǎn)見真章 大浪淘沙始見金

微納光子學(xué)經(jīng)過二十余年的蓬勃發(fā)展，正處于前沿拓展和技術(shù)沉淀的關(guān)鍵時期。目前，李濤研究組也持續(xù)開展光子學(xué)前沿的拓展，比如他們在硅基光波導(dǎo)集成領(lǐng)域引入拓?fù)涔鈱W(xué)設(shè)計、非厄米調(diào)控、人工規(guī)范場思想，發(fā)展多種基于新原理的寬帶魯棒性的光子集成元件。此外，他們還基于新的鈮酸鋰薄膜波導(dǎo)平臺，研發(fā)波導(dǎo)陣列的光場調(diào)控，研制出鈮酸鋰相控陣激光掃描模塊，有望應(yīng)用于高速率低功耗的激光雷達(dá)、自動駕駛等領(lǐng)域。

從原理創(chuàng)新向技術(shù)轉(zhuǎn)化角度，李濤團隊研發(fā)的芯片式顯微鏡，在超小型化成像技術(shù)領(lǐng)域表現(xiàn)出極大競爭力的優(yōu)勢，無疑為超構(gòu)光子學(xué)顛覆式應(yīng)用提供了一個優(yōu)秀的范例。“所有過往，皆為序章。山高路遠(yuǎn)，大浪淘沙”，他們不會停下腳步，正繼續(xù)推動科研成果走向?qū)嶋H應(yīng)用。超構(gòu)光子技術(shù)的未來已來，正在顛覆傳統(tǒng)照亮未來。（文／陳偉）