紧凑型超透镜显微镜实现宽视场高分辨率成像

超透镜代表了光学技术的革命性突破。与传统显微镜物镜依赖曲面玻璃不同，超透镜利用纳米结构在亚波长尺度调控光线。凭借超薄、轻量和平坦的结构特性，超透镜克服了传统透镜的笨重缺陷，成为电子设备和紧凑成像系统的理想选择。

尽管在下一代光学系统中前景广阔，超透镜在实际显微应用中仍面临重大挑战。离轴像差严重限制其视场（FOV）与分辨率，构成主要技术瓶颈。成像分辨率与视场间的固有矛盾导致超透镜性能始终无法匹敌传统显微镜。既往虽有部分设计实现亚微米分辨率，但其视场范围极为有限，制约了实用价值。

在此背景下，南京大学研究团队提出创新解决方案，显著提升超透镜显微性能。发表于《先进光子学》（Advanced Photonics）的研究报告展示了一种紧凑型超透镜显微镜，同时实现大视场与高分辨率成像。

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基于超透镜与环形照明的显微镜示意图

研究团队通过双合透镜构型（透明二氧化硅基底两侧各置一片超透镜）结合环形照明光，攻克了超透镜的根本局限。两片氮化硅超透镜由精密设计的高深宽比方形纳米鳍构成，鳍片间距经严格计算排布。该方案有效抑制离轴像差，同步提升分辨率，从而优化成像性能。

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超透镜双合透镜的光学设计

通讯作者Tao Li博士指出："我们的超透镜显微镜具备150μm视场与310nm半间距分辨率，远超超构显微领域现有最高纪录。"该成果标志着重大突破——研究团队成功解析了以往所有超透镜系统均无法观测的微观特征。

为验证技术实用性，团队开发了高度紧凑的原型机。该集成装置在1mm视场内实现620nm半间距分辨率。值得注意的是，该系统创新性地利用超表面同时实现成像与环形照明光生成，进一步压缩体积至仅4cm×4cm×5cm，较传统显微镜实现尺寸重量千倍缩减。

研究人员对宫颈癌细胞进行成像实验。该系统可在同一视场内捕获癌症不同发展阶段的细胞图像，清晰呈现细胞核增大、变形及分裂等关键细节。大视场观测能力为医学工作者提供组织样本全景信息，有望提升诊断效能。

Tao Li强调："实验证明该紧凑原型机获取的生物显微图像质量媲美传统显微镜，凸显其在便携化应用场景的潜力。"

这项技术有望应用于同时要求便携性与高性能成像的诸多领域，包括资源匮乏地区的生物医学成像、移动监测及传统显微镜难以适用的户外研究场景。

与微电子器件的整合潜力使其可应用于临床与生物医学自动化等新兴技术领域。总体而言，该突破性进展标志着超透镜成像系统向实用化迈出重要一步——在保持与传统光学器件竞争力的同时，显著提升了尺寸、重量及集成优势。此方案不仅为紧凑显微技术开辟新途径，更为各类光学应用中的高性能超构器件设计提供全新思路。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.4.046006