光学期间向来奉陪着人类文明的行进而不绝演进。现在，人类社会迈入讯息光阴，光学手艺在音信的获得、传输、交互、表达等方面仍然显现出无与伦比的智力和火急性。与之反响的，光学元器件的成长行进也随着光学质地、加工手段、方式策画的行进发生着深化的更新。微纳光学是新世纪此后茂盛滋长的物色范围，超构光子学是其一个要紧分支，它眷注亚波长圭表下操控光的流传，为光学器件和岁月带来新的安排念想和预备。

　　南京大学摩登工程与利用科学学院副院长李涛传授，永久从事微纳光子学宗旨的索求，在光学超构材料、光子集成等界限积攒了一批原创性成就。近些年来，全部人领导团队主动开展技巧变革，对超构透镜举办了色散调控、阵列设计、偏振复用等奏效拓展与教育，并与CMOS图像传感器集成，先后拓荒研制了消色差平面透镜、超构显微镜、平面广角相机等高集成的光学成像器件，正在向工夫操纵迈进。同时，也在外面等离激元、光波导集成等方面得回了一系列刷新性成效，并一再被选华夏光学弁急成就与十大进步。

　　道到成像，很多人都不会陌生，你们国年事功夫《墨经》中记载了“小孔成像”的故事。只是真正派界限的成像技能源自于折射型透镜的出现。由于成像途理的统制（如傍轴条目）、介质色散、光波长范围等身分，单个折射透镜的成像保存像差、色差、鉴识率极限、视场范围等性能统制，擢升综合成像机能一贯尔后都是公共找寻的办法。

　　李涛介绍谈，超构表面是经过一薄层具有纳米结构的死板对光场举行随意操控，达成如透镜聚焦、全休成像、偏振调控等结果。在此前找寻中，科学家已经表露了运用枯燥超构透镜达到媲美古板光学显微镜的成像成果。只是，此类新意思镜头走向使用还面临几项蹙迫离间，奈何告竣器件的宽带消色差即是其中之一。针对这一标题，李涛摸索组拉拢台湾大学蔡定平搜求组在宽带消色差超构皮相器件上获得急迫前进，我提出了集成共振的新策动并与几许相位互助，得胜策画并树模了同期国际上最宽带的反射型消色差聚焦。随后，联络团队进一步将该调控相位的措施激动到可见光波段，成功研制了天下上首例覆盖全可见光波段（400－660 nm）的消色差超构透镜，合连成效取得“2018年华夏光学十大行进”，并被国际同行平常体恤。

　　尽管相合收效显示了超构透镜宽带消色差的才华，但所报道的消色差透镜的尺寸相称小，普通在百十微米口径，很难知足现有光学格式深奥的行使。针对此瓶颈问题，李涛近期带领团队提出了光场闭连性及构造优化的多阶衍射透镜设计盘算，并与联结者一同告捷研制出口径达1厘米的消色差平面透镜，其消色差天堑遮盖齐备可见光到近红外波段（400－1100nm），是迄今国际上综合性能最高的光波段消色差平面透镜。超构透镜规模著名巨匠蔡定平教授为此做事专文申斥。如今，摸索人员已用此透镜进行外景拍摄，并且正在将神经收集算法与之协作，有望开荒出具有适用性的光学格局。

　　像差是成像职能的另一个危险职能指标。超构透镜深奥具有比较大的轴外像差（慧差），这使其成像的有效视场边界相当受限。国际上有包罗哈佛大学、中科院光电所等著名探寻组针对消慧差标题发展了改良打算，并获得的一系列前进。然而，今朝所显现的消像差、扩视场的功效还生存多样亏欠，譬喻通光孔径受限、成像质料下降等。

　　李涛查究组另辟蹊径回收超构透镜阵列的体式来举行视场角的扩大，胜利将单个超构透镜仅有30度摆布的视场角鸿沟经过阵列伸张到120度，同时在每个角度下成像质料都相持最优，不受慧差、畸变、场曲等感导。李涛闪现，该预备本来是一个很寒酸的想念，既然每个超构透镜的视场角很有限，大概就策画一系列透镜，让每个透镜只卖力必需的角度天堑，尔后把分歧角度图像进行拼接。此计划中，超构透镜相位打算的活泼的优势得以叙述，仅在团结个平面能够完毕不同入射角度下的超构透镜设计。由此构建的广角相机是十全平面布局，总体成像厚度仅为3毫米，倾覆了人们对广角鱼眼透镜的遐想。该职分也被选了“2022华夏光学十大前进”。李涛添加路，此使命目前如故一个意义验证，思要同时告竣消色差、大口径的透镜阵列来竣事高质料广角成像另有艰难的离间。

　　在显微成像领域，宽视场与高分辨的制约标题平素是高通量显微瞻仰的主要瓶颈。李涛追求组同样生长了超构透镜阵列计划，也许绕过古代成像编制的空间带宽积牵制，让成像辨认率与视场边界解耦。大家成功打算超构透镜阵列与CMOS芯片集成，成像范围可由微透镜阵列的个数实行拓展，同时保持单个透镜成像分辩率牢固。须要表明的是，该企图是基于两组偏振复用的聚焦相位，彼此之间偏移半个周期，可进程偏振切换赔偿视场盲区而获得完整的宽视场显微成像。这种基于超构透镜阵列的成像芯片的构筑在扶植显微成像性能的同时，大大增加了器件的便携性，有望为诊疗诊断开拓新工夫范式。

　　平昔以后，显微成像在生物医学等范畴有着通常的使用，光学显微镜行径速病诊断的弁言有着不行代替的职位。如上所述，守旧光学显微镜在高分别率下的视野显然中断，景深受限须要板滞调焦，这些都晦气于高通量的阅览化验与病灶诊断。别的，健壮笨沉、高成本的显微镜倒运于便携式行使场景，如营救园地、郊外作业、社区家庭等。比年来，随着摩登生产保存的必要，小巧便携式的成像体系越来越受欢迎，对光学显微镜的高度集成化和小型化提出了寻事。

　　由此，李涛率领团队基于之前透镜阵列安排，成功研制出集成了LED照明光源、液晶起偏器、超构CMOS成像芯片的显微镜式样——芯片式超构显微镜。总共样机很是“迷我”，尺寸仅为3－5厘米，体积浸量不到古代显微镜的千分之一，且透镜阵列策画使其成像视场到达传统商用显微镜同辨别率下视场边界的4－7倍。方今，超构显微镜实行了4×4 mm2的视场，1．74 μm的区别率（可进一步培育），约200 μm的景深，同时完全了高分辩、高像质、宽视场、大景深。探寻团队还在实行整机后期的优化，尽快或者完结远程摆布的宽视场、大景深、多波长、高通量、多模态显微成像技艺。

　　该芯片式超构显微镜将超薄的超构透镜与CMOS图像传感芯片协作，满盈应用了两者无聊超薄的优势二者相赚钱彰；而且，偏振复用的超构透镜阵列计划拓展了视场鸿沟和景深管束；再者，齐备远程掌握无需手动治疗大大放大了实用场景。该显微镜冲破了传统显微物镜的成像架构，其超小型成像模块为特殊情况下的显微观看与监控成为大概，如细胞提拔箱、运动境遇、辐照处境下的运用场景，有望为病理诊断、细胞搜求、制药资产等领域带来一场革命。李涛研究组正倚赖南智光电找寻院将此本领推向应用，今朝仍然将样机交付客户单位试用，进行数据积聚。进行手艺开垦的查究生团队也因该项目“芯片式超构显微镜——开启人命科学显微成像新篇章”荣获华夏国际“互联网＋”大弟子维新创业大赛天下铜奖、江苏省一等奖等声望。

　　图3物色团队因“芯片式超构显微镜”项目在第八届华夏国际“互联网＋”大门生改造创业大赛获宇宙铜奖、江苏省一等奖。

　　微纳光子学经过二十余年的繁盛滋长，正处于前沿拓展和技术浸淀的合键技术。如今，李涛寻觅组也持续展开光子学前沿的拓展，譬喻我在硅基光波导集成领域引入拓扑光学设计、非厄米调控、人工典范场想念，成长多种基于新理由的宽带鲁棒性的光子集成元件。另外，我还基于新的铌酸锂薄膜波导平台，研发波导阵列的光场调控，研制出铌酸锂相控阵激光扫描模块，有望操纵于高速率低功耗的激光雷达、自愿驾驶等范畴。

　　从原理改变向本事调动角度，李涛团队研发的芯片式显微镜，在超小型化成像技艺范围显露出极大竞争力的优势，无疑为超构光子学推翻式使用供给了一个杰出的规范。“整体过往，皆为序章。山高道远，大浪淘沙”，我们不会停下脚步，正不停驱策科研成绩走向实践运用。超构光子期间的另日已来，正在倾覆传统照亮他们日。（文／陈伟）