長焦深、消色差超振蕩透鏡，實現多色超分辨立體顯微成像

超分辨顯微技術，是指具有超出傳統光學顯微鏡系統分辨率極限的顯微技術，其通過采用多種創新的近場或遠場的激發與探測技術，獲取物體散射光場的高頻分量或減小照明光斑和收集區域，進而打破傳統顯微鏡的阿貝-瑞利衍射極限限制，獲得觀察并記錄微觀世界中更微小、更精細的結構的能力。超分辨顯微技術在生命科學、材料科學、納米技術和其它相關領域中有著廣泛的應用。

超振蕩透鏡（Super-oscillatory lens），是指通過微納結構對光場的波前進行精細調控，在特定位置可獲得比透鏡數值孔徑對應空間頻率更高的空間頻率分量，進而獲得超分辨聚焦能力的一種新型平面衍射透鏡。

焦深，對成像系統來講指在其焦點附近像可保持相對清晰的范圍；對于聚焦透鏡來講指其聚焦光斑可被用于照明的光軸方向的范圍。焦深決定了圖像深度信息的獲取。

消色差，是指透鏡克服色差的能力。色差是當光線穿過透鏡或衍射光學元件時，不同顏色的光匯聚在不同位置的現象。消色差是平面衍射透鏡的主要研究方向之一，對成像及生物樣本光譜采集至關重要。

超振蕩顯微成像技術，是指以超振蕩透鏡為照明系統替代傳統透鏡，以共聚焦顯微系統為基本框架搭建的超分辨顯微成像系統。相較于傳統的超分辨顯微技術，其定制化的光場分布有望在遠場超分辨的基礎上同時實現長焦深和消色差。

目前超振蕩透鏡仍存在幾個亟需解決的問題：

高數值孔徑引起的高度光場壓縮，導致相對較短的焦深；

高強度的旁瓣導致超振蕩透鏡的視場相對較??；

光的波動性導致的衍射色差；

數十微米左右的工作距離（焦距），導致應用場景受限。

因此，設計一種同時滿足消色差、超分辨、超大工作距離、長焦深且可低成本、晶圓級制造的高數值孔徑平面光學透鏡是當前研究的關鍵難題，亟需解決以滿足其在超分辨顯微鏡關鍵裝備中不斷升級的成像與檢測需求，新一代“完美透鏡”革命蓄勢待發。

近日，西北工業大學機電學院微系統工程系與香港城市大學材料科學與工程學院合作在平面超分辨多色立體顯微成像研究中取得重要進展，相關研究成果以“Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus”為題發表在Nature Communications。西北工業大學苑偉政教授與虞益挺教授聯合培養的博士后李文麗為該論文的第一作者，機電學院與寧波研究院為第一作者單位。虞益挺教授與雷黨愿教授為本文的通訊作者。

針對光學透鏡在帶寬、視場與分辨率之間存在的突出瓶頸，以平面超振蕩透鏡為研究對象，提出多焦點拼接延長焦深及多波長復消色差可控優化設計方法，實現了0.76數值孔徑、428 μm大工作距離、聚焦效率>11.2%，三波長（488nm /532nm /640nm）激發下焦深均大于10倍波長的光針光場，整體表現超過了現有文獻報道的結果。將藍、綠、紅三束遠場光針光場重疊，可實現多波長超分辨立體顯微成像：通過分辨率標定實驗，量化了超振蕩透鏡的超分辨能力（空氣中488nm入射波長可實現0.3λ的分辨率）；通過無軸向面內掃描，實現對三維楔形結構的立體成像；此外，還展示了對一定厚度的生物樣品進行多波長熒光成像的能力。這些功能是商用明場顯微鏡及共聚焦顯微鏡無法實現的。

多焦點拼接延長焦深及多波長復消色差可控優化設計方法

傳統衍射光學元件中存在著一個與數值孔徑相關的內在制約關系，涉及焦深、焦斑尺寸和色差。針對該制約關系，我們建立了一種新的多目標優化策略，以達到優化、權衡該制約關系的目的；在實現超分辨的同時，最大程度地增長焦深并減小色散。首先通過軸向聯合多焦點方法擴展焦深，并在各個波長的情況下（如圖1所示）將旁瓣強度以及主瓣半峰寬最小化，然后使三個不同波長（例如藍光、綠光和紅光）生成的次衍射“針狀”光場在空間上重疊。優化設計結果突破了經典光學理論中帶寬、視場與分辨率之間的固有矛盾，實現了軸向均勻、旁瓣抑制的消色差超振蕩透鏡，數值孔徑為0.76，在428 μm焦距下的聚焦效率為11.2%，在三個入射波長（488nm/532nm/640nm）下的焦深均大于10倍波長，處于現有文獻報道的領先水平。

圖1：多焦點拼接延長焦深及多波長復消色差可控優化設計方法

無需軸向掃描的多色超分辨立體顯微成像

基于多目標優化策略設計的超振蕩透鏡，將藍、綠、紅三束遠場光針光場在焦平面重疊，搭建了多色超分辨立體顯微成像系統。通過對分辨率板進行成像，發現系統在空氣中無標記成像遠場分辨率極限可達到0.3λ（入射波長488nm）（如圖2所示）。

圖2：多色超分辨立體顯微成像系統對分辨率板的成像效果

不僅如此，優越的長焦深特性更賦予了成像系統獨特的優勢，使其能夠一次性捕獲三維物體的整體細節，而不需要額外的軸向（垂向）掃描。如圖3所示，研究人員成功地實現了對微納加工的三維楔形結構的立體成像。

圖3：多色超分辨立體顯微成像系統對三維楔形結構的成像效果

雙色熒光立體成像

當觀察神經元的內部精細結構時，內部突觸總是位于不同的深度。為了能夠實時繪制神經元活動，具有高空間分辨率、大景深和消色差的照明透鏡將體現出更多成像優勢。我們搭建的多波長超分辨立體顯微成像系統可以同時滿足這些功能需求。圖4展示了對兩種染料同時標記的人類神經元細胞進行成像結果，表明：相比傳統大數值孔徑（NA=0.9）的寬場成像，該系統可在獲得高分辨率和雙色圖像的同時，還可捕獲了更深層部位的信息。另一方面，超振蕩透鏡的聚焦能量分布可以在主瓣和旁瓣之間進行靈活的定制設計，一方面有利于減少對生物樣品的光損傷，另一方面為光學成像系統的定制化提供了便利。

圖4：傳統寬場成像和多色超分辨立體顯微成像系統對人類神經元成像效果對比

總結與展望

高數值孔徑的長焦深、消色差超振蕩透鏡將促進超振蕩透鏡在眾多領域的實際應用，如非侵入性的三維生物醫學成像、激光光束控制、多色光學相干斷層掃描成像、光譜顯微成像、芯片上實驗設備以及微納米加工。超振蕩透鏡所提供的定制光場模式在遠場具有獨特的優勢，將使生物成像更加靈活和高效。

它的未來挑戰和展望包括以下幾個方面：

更廣波長范圍的應用：目前多數超振蕩透鏡針對特定波長范圍進行設計，未來的挑戰之一是擴展其適用波長范圍，以滿足多種應用需求，包括多光譜成像和光譜分析。

更大數值孔徑：提高數值孔徑有助于提高分辨率和靈敏度，但也增加了設計和制造的復雜性。未來的設計與加工需要克服這些技術挑戰，實現更大數值孔徑的超振蕩透鏡。

多模式操作：實現超振蕩透鏡的多模式操作，允許在不同成像條件下切換，將增加其多功能性，但也需要更復雜的控制和反饋系統。

成像系統集成：將超振蕩透鏡集成到各種成像系統中，如顯微鏡、相機和其它光學設備，以簡化使用并擴大應用領域。

論文信息

Li, W., He, P., Lei, D. et al. Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus. Nat Commun 14, 5107 (2023).

審核編輯：黃飛