通过单层金属透镜实现单次拍摄全斯托克斯偏振与定量相位成像

看到的不仅仅是亮度

大多数相机——从手机传感器到望远镜——只记录场景的亮度。但光中还隐含着另外两个丰富的信息层：光波穿过物体时的弯曲（相位），以及振动时的旋转（偏振）。本文报道了一种微小新型透镜，能在一次曝光中同时捕获这三者——亮度、弯曲与旋转。该方法有望把用于研究细胞和材料的占地实验室仪器缩小为紧凑、便携的设备。

隐藏光学线索的重要性

当光穿过透明物体时，例如活细胞或薄玻璃涂层，其波前会发生延迟，这种延迟揭示出厚度和内部结构。这种细微的延迟称为相位。同时，光的振动方式——即偏振——携带着关于表面纹理、内部结构以及分子手性的重要线索，这些手性结构在生物学和化学中极为关键。传统相机忽略了这些额外维度，因此研究者不得不依赖带有运动部件、旋转偏振片或精密干涉方案的复杂装置来测量它们，这使得实时便携使用变得困难。

带有隐藏图案的微型透镜

作者提出了一种平面纳米结构透镜——金属透镜，用单层非晶硅的图案化结构替代了体积光学元件。在其核心是一个重复的“四合一”构建单元：四个微小柱体像方形瓦片一样排列。其中两个是对称的，对光的偏振不敏感并将其聚焦到不同的轻微距离上，从而提供了一个清晰聚焦和一个略微散焦的视图；另两个是不对称的，充当微小的偏振分离器，将左旋和右旋偏振光分别导向不同区域。当这种图案覆盖在直径1.8毫米的透镜上，并与一款已具线性偏振感测能力的专用相机芯片配合时，入射场景会在一次曝光中自动被分拆为四幅互补的子图像。

将四张快照合成为完整图像

这四幅子图像是重建研究者所需信息的原始材料。由对称柱体形成的这一对子图像提供了同一物体在两个略微不同焦平面的影像。已知的数学关系——强度运输方程（transport‑of‑intensity equation）——利用这个微小的焦点移位来推断每一点处光波的延迟，从而把强度图像转换为定量的光学厚度图。同时，由不对称柱体形成的子图像能清晰分离左手与右手偏振分量，结合相机自身的偏振灵敏度，可在每个像素处恢复完整的偏振态（即斯托克斯参数），无需扫描或运动部件。

用样式、材料与活细胞进行测试

为展示其紧凑系统的准确性，团队首先测量了人工相位靶：具有已知厚度的图案化二氧化硅区域。使用一颗在近红外波段经过滤的简单发光二极管，他们重建出的厚度图与白光干涉仪（一种标准精密仪器）的独立测量结果相符。随后他们成像了一个刻意制备的各向异性纳米结构表面，不仅恢复了表面高度的变化，还量化了其将光转换为不同偏振态的强度——证实该器件能够探测工程材料。最后，他们将金属透镜置于显微镜配置中，观察单个U2OS细胞在温和的酶处理下从基底脱落的过程。在约12分钟内，细胞变圆，中心在相位图像中显示为光学变厚，所有这些都是连续捕获的，且无需荧光标记。

对未来成像的潜在影响

简言之，这项工作表明一片超薄透镜即可让相机同时看到光的三种属性：亮度、延迟和振动方式。通过避免使用激光并采用无散斑的光源，研究者减少了常见于类似系统的颗粒状伪影。其结果是一个小巧、无移动部件的平台，能实时定量测量相位和完整偏振态。这类技术可能发展为用于检查微器件、无染料监测细胞健康或在床边辅助医疗诊断的手持工具，尤其是在结合机器学习以自动解读丰富多维图像时。

引用: Zhang, Q., Lin, P., Jiang, X. et al. Single-shot full-Stokes polarization and quantitative phase imaging via a single-layer metalens. npj Nanophoton. 3, 24 (2026). https://doi.org/10.1038/s44310-026-00122-8

关键词: 金属透镜成像, 偏振成像, 定量相位成像, 多维光学传感, 无标记细胞成像