近日，南京大學徐挺教授和陸延青教授團隊在結構光照明顯微成像領域取得新進展。研究團隊利用偏振復用的超構表面實現了三步相移結構光，通過照明物體成功實現了超分辨成像。

相移結構光照明是一種在各種成像系統中廣泛采用的光學技術，例如光片顯微鏡和超分辨顯微鏡。通過將條紋結構光投影到物體上并使用相移技術提取相位信息，可以重建物體的深度、輪廓或形態。然而，機械控制導致系統穩定性差、精度低。盡管光電元件如空間光調制器、數字微鏡器件等提高了相移控制精度，但其微米級像素需要物鏡進一步提高結構光頻率，增加了系統復雜性，限制了光學系統的縮小。另外，金屬超構表面雖可生成相移結構光，但金屬的光學損耗和表面等離激元的近場傳播限制影響了成像質量和應用范圍。

這項工作中，研究團隊提出并展示了一種基于介質偏振復用超表面實現遠場相移結構光照明的方法。通過控制納米結構的幾何相位和傳播相位，將三個二元光柵相位編碼到一個單層超表面上。這三個光柵具有相同的周期，并且它們的相位分布表現出等距的橫向位移。通過不同的入射光和透射光的偏振狀態組合，超表面能夠實現相移功能，從而無需樣品或光源位移，并提供了穩定的操作性能(圖1)。為了驗證該方案，團隊將該超表面應用于透射式相干結構光照明顯微鏡系統，在基于超表面的結構光照明顯微實驗中，通過使用標準分辨率測試圖作為成像對象，沿相移方向的成像分辨率比未使用結構光照明的對照實驗提高了約1.8倍(圖2)。

圖1 偏振超表面生成遠場三步相移結構光的示意圖

圖2標準分辨率測試成像圖。從左往右依次為無結構光圖像、基于結構光照明重建的圖像、僅包含高頻信息的重建圖像

研究成果以“Far-Field Phase-Shifting Structured Light Illumination Enabled by Polarization Multiplexing metasurface for Super-Resolution Imaging” 為題，近期發表于Nano Letters上。

該工作展示了所提出的超表面平臺為開發緊湊且魯棒的相移成像系統提供了一種有前景的方法，并在定量檢測、機器視覺和其他應用中具有廣闊的前景。南京大學現代工程與應用科學學院21級博士生周倩葦，電子科學與工程學院副研究員楊程以及現工院21級博士林沛城為共同第一作者，通訊作者為南京大學徐挺教授和陸延青教授。本研究得到了科技部重點研發計劃等項目的資助以及固體微結構物理國家重點實驗室提供的技術支持。

來源：南京大學現代工程與應用科學學院、天下為工   作者：徐挺、陸延青