超构透镜显微镜：靠电压切换焦点，无需移动光学元件

就像相机很难同时把近处的花和远处的山都拍清楚一样，传统光学显微镜在观察体内不同深度的结构时，也会遇到类似难题。把光聚得更紧可以提高空间分辨率，但图像能保持清晰聚焦的深度范围也会随之变短。

由POSTECH的Junsuk Rho教授和Chulhong Kim教授领衔的联合研究团队，开发了一套基于双焦点超构透镜的光声显微成像系统。该系统只需调节外加电压，就能在不同成像深度之间切换，无需机械移动任何光学部件。相关研究发表在《Light: Science & Applications》上。

清晰度与深度之间的取舍

光声显微成像是一种成像技术：激光被送到生物组织上，组织吸收光后产生超声波，再通过检测这些超声波来成像。其中，光学分辨光声显微成像通过紧聚焦光来实现微米级空间分辨率，能够细致呈现微细血管结构。

然而，光聚焦得越紧，焦深就越短。于是，只有有限的轴向范围能清晰成像，分布在较大深度范围内的三维生物结构就很难看清。

传统方法曾尝试用贝塞尔光束来扩展成像深度，因为贝塞尔光束能在更长的轴向范围内保持狭窄的中心焦点。但贝塞尔光束本身会在中心光束周围产生明显的旁瓣，带来背景信号、降低图像对比度，并拉低成像质量。

用电压切换焦点深度

POSTECH团队解决这一难题的办法，不是物理移动光学部件，而是控制光的偏振态。

系统的关键在于两个光学部件的集成。第一个是双焦点超构透镜，它根据入射光是右旋还是左旋圆偏振光，在不同轴向位置产生焦点。第二个是电驱动液晶盒，它响应施加电压来改变入射光的偏振态。这种液晶盒所用液晶与智能手机显示屏中的液晶同类。

将两者结合后，研究人员只需调节液晶盒上的电压，就能在两个焦点深度之间进行电子切换，每次切换仅约0.25秒。超构透镜还与环形超声换能器集成，使光轴和声轴在紧凑的光声显微配置中对准。

通过交替使用两种焦点模式，系统总轴向成像范围达到约1.2毫米。两个焦点位置的横向空间分辨率分别约为3.1微米和3.7微米，足以看清微观血管结构。

分辨眼部不同深度的血管

研究团队用化学诱导角膜损伤的小鼠眼睛进行成像，在实验中验证了系统性能。在较浅的焦点模式下，角膜中新形成的血管清晰可见；在较深的焦点模式下，可选择性地分辨位于表面下约2.2毫米、靠近虹膜的血管。这些结果表明，无需机械移动任何光学部件，就能以高空间分辨率选择性呈现深度相差很大的血管结构。

这项技术可能尤其适用于眼科成像，因为具有临床意义的血管分布在眼内不同深度。糖尿病视网膜病变等疾病以及其他血管疾病，都需要准确评估眼内多个区域的血管结构。

Rho解释说：“利用超构透镜中的偏振复用，我们可以沿深度方向切换高分辨率光学焦点，而无需机械移动光学部件。省去机械运动还能让成像系统更紧凑、更稳定，为在广泛生物医学和工业成像平台中的应用创造了机会。”

相关链接：https://dx.doi.org/10.1038/s41377-026-02365-8