北京理工在超构透镜和单像素成像研究方面取得重要进展

近日，北京理工大学物理学院量子技术研究中心姚旭日、赵清团队在紧凑型单像素成像领域取得重要进展。该团队创新性地利用超构透镜，成功实现了单光子级别的显微单像素成像。相关成果以“Miniaturized Single-Photon Level Computational Complex Field Imaging System via Meta-Optics”为题发表于《Advanced Optical Materials》（Adv. Optical Mater. 2025, Volume 13, Issue 32），并被选为期刊封面文章。

该研究工作得到了北京理工大学青年学者研究基金和德国Helmholtz Association (Solar Technology Acceleration Platform)等项目的大力支持。北京理工大学为本工作的第一完成单位，合作单位包括昆明物理研究所和德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）。论文第一作者为北京理工大学物理学院与昆明物理研究所联合培养博士研究生王煜昊。通讯作者为北京理工大学姚旭日副教授、赵清教授，以及德国卡尔斯鲁厄理工学院金琦浩博士与Uli Lemmer教授。 北京理工大学博士研究生邵崇武、李世剑博士后，卡尔斯鲁厄理工学院张乔爽博士、Judith K. Hohmann博士、Alban Muslija工程师，以及中科院微电子所李志刚博士在超构透镜制备和成像算法方面做出了重要贡献。

超构透镜是一种基于亚波长微纳结构设计的光学器件，能够对光场的振幅、相位和偏振等参数进行灵活而精确的调控。相比传统光学元件，超构透镜具有重量轻、厚度薄、易于集成等显著优势，已成为光学领域的研究热点。尽管其应用已被广泛探索，但将其与单像素成像技术结合、构建紧凑型低光照成像系统的研究仍有待深入。

该研究提出并实现了一种基于超构透镜的紧凑型单像素显微成像系统，该系统将超构透镜和主动照明单像素成像进行高效集成。相比于传统的显微成像系统和其它单像素显微成像系统，该系统从DMD到PMT的距离尺寸大约为4厘米。

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图1. 制备的超构透镜和表征结果

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图2. 基于超构透镜的紧凑型显微成像系统

通过超构透镜高分辨率结构投影，以及单像素成像在低光条件下的鲁棒性，该系统成功重建最小尺寸为12微米的目标图像，其结构相似度（SSIM）为0.7993，峰值信噪比（PSNR）为18.05eB。尤为突出的是，该系统在极微弱光照（1.7光子/像素/秒）的单光子级别条件下，成功重建了17.5微米的目标图像。

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图3. 低光照下微小目标图像重建

此外，该系统除了高质量重建生物样本的振幅图像外，还对相关样本的相位图像进行重建，使得该系统具有对复杂光场成像的功能。

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图4. 细胞振幅和相位图像重建

该研究工作展示了一个高度紧凑且具备单光子灵敏度的显微成像平台，在活细胞低光照成像以及未来便携式显微成像设备开发等领域展现出巨大的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adom.202501310