哈工大全媒体（刘培香 丁旭旻 郝慧捷 文/图）近日，我校仪器科学与工程学院（以下简称“仪器学院”）、南洋理工大学、新加坡科技设计大学等合作团队共同提出了一种基于超构表面的单帧三维成像显微系统，并验证了该系统在工业和生物领域的应用。该研究以《单帧三维成像超显微镜》（Single-Shot 3D Imaging Meta-Microscope）为题，发表在《纳米快报》（Nano Letters）上。该研究为集成化单帧三维显微成像系统设计提供了新思路。
在现代光学显微成像领域，三维显微成像的发展为我们提供了更全面的观察和理解微观世界的能力，有助于揭示生命过程中的细节、材料中的微观结构和纳米尺度的相互作用。目前常用的三维显微成像技术包括激光共聚焦显微术、光场显微术、多光子显微术以及结构光照明显微术等，都不可避免地需要长时间的扫描或复杂的光机结构，这极大增加了所需的时间成本和硬件成本，不利于快速、高效的三维成像，限制了对活细胞生命运动和三维结构的观察。
研究团队利用超构表面对光场进行亚波长分辨率的高自由度调控，提出了一种在4f系统中基于超构表面实现双螺旋点扩散函数的方法。通过全介质超构表面构建的4f-超显微镜成功实现了单帧三维成像，避免了长时间的扫描。在此基础上，该研究将4f-超显微镜集成至由单层超构表面组成的2f-超显微镜，验证了该系统具有可调控的轴向探测范围，所提出的单帧三维成像超显微镜在大轴向探测范围内实现了亚微米的轴向定位精度，并在工业样本和生物组织中进行了应用验证。
哈工大为论文第一通讯单位，仪器学院博士研究生郝慧捷、王新伟，新加坡科技设计大学王浩博士为共同第一作者，仪器学院刘俭教授、丁旭旻教授为共同通讯作者。同时该工作获得仪器学院谭久彬院士的指导和大力支持。
该研究工作获得国家重点研发计划青年科学家项目和国家自然科学基金资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c03952
图1 单帧三维成像超显微镜 （a）4f-超显微镜和2f-超显微镜示意图（b）“HIT”字母三维图像（c）桃花花粉细胞三维图像