长焦深、消色差超振荡透镜，实现多色超分辨立体显微成像

超分辨显微技术，是指具有超出传统光学显微镜系统分辨率极限的显微技术，其通过采用多种创新的近场或远场的激发与探测技术，获取物体散射光场的高频分量或减小照明光斑和收集区域，进而打破传统显微镜的阿贝-瑞利衍射极限限制，获得观察并记录微观世界中更微小、更精细的结构的能力。超分辨显微技术在生命科学、材料科学、纳米技术和其它相关领域中有着广泛的应用。

超振荡透镜（Super-oscillatory lens），是指通过微纳结构对光场的波前进行精细调控，在特定位置可获得比透镜数值孔径对应空间频率更高的空间频率分量，进而获得超分辨聚焦能力的一种新型平面衍射透镜。

焦深，对成像系统来讲指在其焦点附近像可保持相对清晰的范围；对于聚焦透镜来讲指其聚焦光斑可被用于照明的光轴方向的范围。焦深决定了图像深度信息的获取。

消色差，是指透镜克服色差的能力。色差是当光线穿过透镜或衍射光学元件时，不同颜色的光汇聚在不同位置的现象。消色差是平面衍射透镜的主要研究方向之一，对成像及生物样本光谱采集至关重要。

超振荡显微成像技术，是指以超振荡透镜为照明系统替代传统透镜，以共聚焦显微系统为基本框架搭建的超分辨显微成像系统。相较于传统的超分辨显微技术，其定制化的光场分布有望在远场超分辨的基础上同时实现长焦深和消色差。

目前超振荡透镜仍存在几个亟需解决的问题：

• 高数值孔径引起的高度光场压缩，导致相对较短的焦深；

• 高强度的旁瓣导致超振荡透镜的视场相对较小；

• 光的波动性导致的衍射色差；

• 数十微米左右的工作距离（焦距），导致应用场景受限。

因此，设计一种同时满足消色差、超分辨、超大工作距离、长焦深且可低成本、晶圆级制造的高数值孔径平面光学透镜是当前研究的关键难题，亟需解决以满足其在超分辨显微镜关键装备中不断升级的成像与检测需求，新一代“完美透镜”革命蓄势待发。

近日，西北工业大学机电学院微系统工程系与香港城市大学材料科学与工程学院合作在平面超分辨多色立体显微成像研究中取得重要进展，相关研究成果以“Super-resolution multicolor fluorescence microscopy enabled by an apochromatic super-oscillatory lens with extended depth-of-focus”为题发表在Nature Communications。西北工业大学苑伟政教授与虞益挺教授联合培养的博士后李文丽为该论文的第一作者，机电学院与宁波研究院为第一作者单位。虞益挺教授与雷党愿教授为本文的通讯作者。

针对光学透镜在带宽、视场与分辨率之间存在的突出瓶颈，以平面超振荡透镜为研究对象，提出多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法，实现了0.76数值孔径、428 μm大工作距离、聚焦效率>11.2%，三波长（488nm /532nm /640nm）激发下焦深均大于10倍波长的光针光场，整体表现超过了现有文献报道的结果。将蓝、绿、红三束远场光针光场重叠，可实现多波长超分辨立体显微成像：通过分辨率标定实验，量化了超振荡透镜的超分辨能力（空气中488nm入射波长可实现0.3λ的分辨率）；通过无轴向面内扫描，实现对三维楔形结构的立体成像；此外，还展示了对一定厚度的生物样品进行多波长荧光成像的能力。这些功能是商用明场显微镜及共聚焦显微镜无法实现的。

多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法

传统衍射光学元件中存在着一个与数值孔径相关的内在制约关系，涉及焦深、焦斑尺寸和色差。针对该制约关系，我们建立了一种新的多目标优化策略，以达到优化、权衡该制约关系的目的；在实现超分辨的同时，最大程度地增长焦深并减小色散。首先通过轴向联合多焦点方法扩展焦深，并在各个波长的情况下（如图1所示）将旁瓣强度以及主瓣半峰宽最小化，然后使三个不同波长（例如蓝光、绿光和红光）生成的次衍射“针状”光场在空间上重叠。优化设计结果突破了经典光学理论中带宽、视场与分辨率之间的固有矛盾，实现了轴向均匀、旁瓣抑制的消色差超振荡透镜，数值孔径为0.76，在428 μm焦距下的聚焦效率为11.2%，在三个入射波长（488nm/532nm/640nm）下的焦深均大于10倍波长，处于现有文献报道的领先水平。

图1：多焦点拼接延长焦深及多波长复消色差可控优化设计方法

无需轴向扫描的多色超分辨立体显微成像

基于多目标优化策略设计的超振荡透镜，将蓝、绿、红三束远场光针光场在焦平面重叠，搭建了多色超分辨立体显微成像系统。通过对分辨率板进行成像，发现系统在空气中无标记成像远场分辨率极限可达到0.3λ（入射波长488nm）（如图2所示）。

图2：多色超分辨立体显微成像系统对分辨率板的成像效果

不仅如此，优越的长焦深特性更赋予了成像系统独特的优势，使其能够一次性捕获三维物体的整体细节，而不需要额外的轴向（垂向）扫描。如图3所示，研究人员成功地实现了对微纳加工的三维楔形结构的立体成像。

图3：多色超分辨立体显微成像系统对三维楔形结构的成像效果

双色荧光立体成像

当观察神经元的内部精细结构时，内部突触总是位于不同的深度。为了能够实时绘制神经元活动，具有高空间分辨率、大景深和消色差的照明透镜将体现出更多成像优势。我们搭建的多波长超分辨立体显微成像系统可以同时满足这些功能需求。图4展示了对两种染料同时标记的人类神经元细胞进行成像结果，表明：相比传统大数值孔径（NA=0.9）的宽场成像，该系统可在获得高分辨率和双色图像的同时，还可捕获了更深层部位的信息。另一方面，超振荡透镜的聚焦能量分布可以在主瓣和旁瓣之间进行灵活的定制设计，一方面有利于减少对生物样品的光损伤，另一方面为光学成像系统的定制化提供了便利。

图4：传统宽场成像和多色超分辨立体显微成像系统对人类神经元成像效果对比

总结与展望

高数值孔径的长焦深、消色差超振荡透镜将促进超振荡透镜在众多领域的实际应用，如非侵入性的三维生物医学成像、激光光束控制、多色光学相干断层扫描成像、光谱显微成像、芯片上实验设备以及微纳米加工。超振荡透镜所提供的定制光场模式在远场具有独特的优势，将使生物成像更加灵活和高效。

它的未来挑战和展望包括以下几个方面：

• 更广波长范围的应用：目前多数超振荡透镜针对特定波长范围进行设计，未来的挑战之一是扩展其适用波长范围，以满足多种应用需求，包括多光谱成像和光谱分析。

• 更大数值孔径：提高数值孔径有助于提高分辨率和灵敏度，但也增加了设计和制造的复杂性。未来的设计与加工需要克服这些技术挑战，实现更大数值孔径的超振荡透镜。

• 多模式操作：实现超振荡透镜的多模式操作，允许在不同成像条件下切换，将增加其多功能性，但也需要更复杂的控制和反馈系统。

• 成像系统集成：将超振荡透镜集成到各种成像系统中，如显微镜、相机和其它光学设备，以简化使用并扩大应用领域。

论文信息

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). 

https:///10.1038/s41467-023-40725-9