超透鏡代表了光學(xué)技術(shù)的革命性突破。與傳統(tǒng)顯微鏡物鏡依賴曲面玻璃不同，超透鏡利用納米結(jié)構(gòu)在亞波長尺度調(diào)控光線。憑借超薄、輕量和平坦的結(jié)構(gòu)特性，超透鏡克服了傳統(tǒng)透鏡的笨重缺陷，成為電子設(shè)備和緊湊成像系統(tǒng)的理想選擇。

盡管在下一代光學(xué)系統(tǒng)中前景廣闊，超透鏡在實(shí)際顯微應(yīng)用中仍面臨重大挑戰(zhàn)。離軸像差嚴(yán)重限制其視場（FOV）與分辨率，構(gòu)成主要技術(shù)瓶頸。成像分辨率與視場間的固有矛盾導(dǎo)致超透鏡性能始終無法匹敵傳統(tǒng)顯微鏡。既往雖有部分設(shè)計實(shí)現(xiàn)亞微米分辨率，但其視場范圍極為有限，制約了實(shí)用價值。

在此背景下，南京大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出創(chuàng)新解決方案，顯著提升超透鏡顯微性能。發(fā)表于《先進(jìn)光子學(xué)》（Advanced Photonics）的研究報告展示了一種緊湊型超透鏡顯微鏡，同時實(shí)現(xiàn)大視場與高分辨率成像。

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基于超透鏡與環(huán)形照明的顯微鏡示意圖

研究團(tuán)隊(duì)通過雙合透鏡構(gòu)型（透明二氧化硅基底兩側(cè)各置一片超透鏡）結(jié)合環(huán)形照明光，攻克了超透鏡的根本局限。兩片氮化硅超透鏡由精密設(shè)計的高深寬比方形納米鰭構(gòu)成，鰭片間距經(jīng)嚴(yán)格計算排布。該方案有效抑制離軸像差，同步提升分辨率，從而優(yōu)化成像性能。

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超透鏡雙合透鏡的光學(xué)設(shè)計

通訊作者Tao Li博士指出："我們的超透鏡顯微鏡具備150μm視場與310nm半間距分辨率，遠(yuǎn)超超構(gòu)顯微領(lǐng)域現(xiàn)有最高紀(jì)錄。"該成果標(biāo)志著重大突破——研究團(tuán)隊(duì)成功解析了以往所有超透鏡系統(tǒng)均無法觀測的微觀特征。

為驗(yàn)證技術(shù)實(shí)用性，團(tuán)隊(duì)開發(fā)了高度緊湊的原型機(jī)。該集成裝置在1mm視場內(nèi)實(shí)現(xiàn)620nm半間距分辨率。值得注意的是，該系統(tǒng)創(chuàng)新性地利用超表面同時實(shí)現(xiàn)成像與環(huán)形照明光生成，進(jìn)一步壓縮體積至僅4cm×4cm×5cm，較傳統(tǒng)顯微鏡實(shí)現(xiàn)尺寸重量千倍縮減。

研究人員對宮頸癌細(xì)胞進(jìn)行成像實(shí)驗(yàn)。該系統(tǒng)可在同一視場內(nèi)捕獲癌癥不同發(fā)展階段的細(xì)胞圖像，清晰呈現(xiàn)細(xì)胞核增大、變形及分裂等關(guān)鍵細(xì)節(jié)。大視場觀測能力為醫(yī)學(xué)工作者提供組織樣本全景信息，有望提升診斷效能。

Tao Li強(qiáng)調(diào)："實(shí)驗(yàn)證明該緊湊原型機(jī)獲取的生物顯微圖像質(zhì)量媲美傳統(tǒng)顯微鏡，凸顯其在便攜化應(yīng)用場景的潛力。"

這項(xiàng)技術(shù)有望應(yīng)用于同時要求便攜性與高性能成像的諸多領(lǐng)域，包括資源匱乏地區(qū)的生物醫(yī)學(xué)成像、移動監(jiān)測及傳統(tǒng)顯微鏡難以適用的戶外研究場景。

與微電子器件的整合潛力使其可應(yīng)用于臨床與生物醫(yī)學(xué)自動化等新興技術(shù)領(lǐng)域。總體而言，該突破性進(jìn)展標(biāo)志著超透鏡成像系統(tǒng)向?qū)嵱没�邁出重要一步——在保持與傳統(tǒng)光學(xué)器件競爭力的同時，顯著提升了尺寸、重量及集成優(yōu)勢。此方案不僅為緊湊顯微技術(shù)開辟新途徑，更為各類光學(xué)應(yīng)用中的高性能超構(gòu)器件設(shè)計提供全新思路。

相關(guān)鏈接：https://dx.doi.org/10.1117/1.AP.7.4.046006