超构表面透镜在生物医学成像领域应用课件

,11/16/2021,#,超构表面透镜在生物医学成像 领域应用,超构表面透镜在生物医学成像 领域应用,1,报告提纲,背景及意义,研究方法及成果,加工及制备方法,生物医学领域应用展望,一,二,三,四,报告提纲背景及意义研究方法及成果加工及制备方法生物医学领域应,2,一,超,构表,面透镜定义：,将具有,特殊电磁特,性,的,纳米柱,结构单,元,按,照一定方式进行排列,的,二维平,面,结构。,研究背景及意义,一超构表面透镜定义：将具有特殊电磁特性的纳米柱结构单元按研究,3,结构参数在亚波,长量级,，,厚度仅 有几微米,。,可以作为一种平 面元件与,芯片集,成,。,功能集成化,单一器件即可实 现,消色差,/,大数值 孔径,/,多焦点,等功 能,一,相比于传统光学镜头，,超,构表,面,透镜,的,优点：,厚度轻量,化,系统芯片化,研究背景及意义,结构参数在亚波 长量级，厚度仅 有几微米。可以作为一种平 面,4,一,研究背景及意义,一研究背景及意义,5,二,研究方法及成果,二研究方法及成果,6,二,研究方法及成果,超构表面透镜设计,基本原理：设计单元构型，多种结构单元集合构建为完整的超构表面,二研究方法及成果超构表面透镜设计,7,超构表面透镜工作机理,波,导,结构共振相位,交叉极化相位（几何相,位,）,几何,相,位,中,光,偏,振,态,的分,布,庞,加莱,球,表,示法,LCP,入射,R,C,P,出射,二,研究方法及成果,超构表面透镜工作机理波导结构共振相位交叉极化相位（几何相位）,8,二,研究方法及成果,超构表面透镜聚焦原理,按照一定的排列方式将不同构型的单元结构置于超构表面透镜所在平面,超构表面置,于,XY,轴所构平面,XY,面上一点距离焦,点,f,距离,L,可以表述为：,由距离,L可以确定光传播过程中产生的相位变化为：,由此得到在,f,点产生干涉增强所需相位调制：,二研究方法及成果超构表面透镜聚焦原理超构表面置于XY轴所构平,9,二,研究方法及成果,二研究方法及成果,10,二,超构表面透镜功,能,1多通道消色差,对于同一焦距,f，,不同波长的光聚焦所需求的相,位,并不相同，并且随着几何尺寸的,增加差距逐渐增加,改变超构透镜形状的设计可以获得对应色散关系的单元结构,多波,长共,焦,点出,射,波前,相,位分,布,差（以,400nm,为,参考）,研究方法及成果,二超构表面透镜功能1多通道消色差对于同一焦距f，不同波长,11,二,超构表面透镜功能,2,宽带消色差,在宽波段消色差的设计中，超构表面单元需要满足波,长,-,相位的线性连续关系才能实 现消色差，边缘陡度几何级数变化，见上右图中,x,轴对应截面消色散相位关系曲线,研究方法及成果,二超构表面透镜功能2宽带消色差在宽波段消色差的设计中，超,12,二,多通道超构表面透镜其他设计方法：,DOI:,10.1038/srep32803,复合结构超构表面双通,道,共焦点,DOI:,10.1038/ncomms14992,多重超构表面三通道共,焦,点,研究方法及成果,二多通道超构表面透镜其他设计方法：DOI:10.1038/,13,二,大口径,RGB,共焦点超,透,镜,DOI:,10.1126/sciadv.abe4458,（,2021,）,目前口径最大的,RGB,三通道共焦,点,设计,（,直径,2mm）,分辨率接近衍射极限,数值孔径较大,（0.7）,研究方法及成果,国外研发成果,二大口径RGB共焦点超透镜DOI:10.1126/scia,14,二,https:/doi.org/10.1515/nanoph-2020-0550,（,2020,）,可见光,可见,近红外,d=0.2m,p=0.4m,h+t=1m,研究方法及成果,国外研发成果,可见-近红外宽带消色散超透镜,首次实现可见,-,近红外的超宽波段消,色,散超,构,表面,数值孔径极小（,N,A,0,.,04,2,00,微米,N,A,.,2,6,2,0,微,米）,聚焦效率较低（平均,28,%,200,微,米和,4,4,2,0,微,米,）,二https:/doi.org/10.1515/nanop,15,二,DOI:,10.1038/s41565-017-0034-6,研究方法及成果,国内研发成果,超构透镜宽带消色散阵列,将直径在几十微米,-几百微米的微透镜通过阵列拼接成像,非直接成像，将数据通过算法计算成像,二DOI:10.1038/s41565-017-0034-,16,二,DOI:,10.1021/acs.nanolett.8b01570,（,2018,）,数值孔径极大,（NA0.98,空气,；NA1.512,油浸）,工作效率约为,67%（,同类工作中最高）,透镜直径,为,1mm，,应用于共聚焦成像,研究方法及成果,国内研发成果,大数值孔径超透镜,二DOI:10.1021/acs.nanolett.8b0,17,研究团队,材料,工作波段,（nm）,成像效率,（%）,数值孔径,AMS,sensors,公司,TiO,2,532,50,1.1(n,g,=1.52),哈佛大学,TiO,2,405/532/660,86,73,66,0.8(air),南洋理工,a-Si,715,35,0.99(air),港科大,p-Si,500,38,0.43(air),加州理工,a-Si,1550,42,0.97(air),南京大学,GaN,400-600,40,0.106（air）,中山大学,c-Si,532,67,0.98(air),波士顿大学,TiO,2,640-1200,70,0.1,二,研究方法及成果,研究团队材料工作波段（nm）成像效率（%）数值孔径AMSTi,18,加工工艺以及制备,三,超构透镜加工工艺流程：,加工工艺以及制备三超构透镜加工工艺流程：,19,加工工艺以及制备,三,超构透镜制备：,激光直写,紫外激光无掩模曝光技术,紫外光刻技术,加工工艺以及制备三超构透镜制备：激光直写,20,加工工艺以及制备,三,超构透镜制备：,聚焦离子束刻蚀,离子束轰击样品进行物理刻蚀,经偏转、聚焦装置将离子束聚焦于,样,品,E,B,质量分析器筛选出特定离子,静电校准后经过静电透镜聚焦,液态金属离子源外加电场导出离子束,加工工艺以及制备三超构透镜制备：聚焦离子束刻蚀离子束轰击样品,21,加工工艺以及制备,三,超构透镜制备：,纳米压印,制作压印模 板,对样品涂胶,通过模板对 光刻胶进行 热塑压印,冷却固化光 刻胶、去除 模板,反应离子束 刻蚀完成加 工,加工工艺以及制备三超构透镜制备：纳米压印制作压印模 板对样品,22,三,加工工艺以及制备,三加工工艺以及制备,23,四,国外进展：超表面,OCT,内窥镜,DOI:10.1038/s41566-018-0224-2,（,2018,）,生物医学领域相关应用,工作距离,WD=0.5mm,H=750,S=400nm,四国外进展：超表面OCT内窥镜DOI:10.1038/s41,24,四,国内进展：复合设计涡旋光超透镜,应,用于,双,光,子,STED,显,微成像,DOI:,10.1364/OE.416698,（,2021,）,生物医,学,领域相关应用,四国内进展：复合设计涡旋光超透镜应用于双光子STED显微成像,25,国内进展,：,超构透镜内窥成像系统,四,生物医学领域相关应用,https:/doi.org/10.1364/PRJ.406197,（,2021,）,国内进展：超构透镜内窥成像系统四生物医学领域相关应用http,26,四,生物医学领域相关应用,苏州医工所：攻克显微物镜多参数,协,同设,计,及数,字,化精,密,制造,技,术,光学显微系统核心部件，自主研发,三,系列,物,镜技,术,指标,达,到国,际,先进,水,平，,实,现国,产,替代,大,NA,显微物镜,（NA1.45）,日本,Olympus,本项目成果,数值孔径,N,A,：1,.,45 放大倍率,：100,物方视场,：400m,数值孔径,N,A,：1,.,45 放大倍率,：100,物方视场,：400m,宽光谱,显,微,物,镜,（NA0.72）,日本,Olympus,本项目成果,数值孔径,N,A,：0,.,7 放大倍率,：20,物方视场,：1.25mm,数值孔,径,N,A,：0,.,72 放大倍率,：20,物方视场,：1.25mm,大视场,高分辨显微物镜,（NA0.5）,英国,Mesolens,本项目成果,数值孔径,N,A,：0,.,47 放大倍率,：5,物方视场,：6mm,数值孔径,N,A,：0,.,5 放大倍率,：5,物方视场,：6mm,四生物医学领域相关应用苏州医工所：攻克显微物镜多参数协同设计,27,苏州医工所：近红外变焦超构表面,透,镜设计,基于超构透镜的相位传输理论，结,合,微波,相,控阵,天,线理,论,设计,实,现的,电,控变,焦,超透,镜,;,基于半导体硅的载流子浓度与电压,的,线性,调,控能,力,间接,调,控材,料,折射,率,；,以法帕腔的相位再分配能力调制输,出,相位,，,实,现,0-2,的,相,位调,制,。,该设计可以结合电子学元件实现电,调,制高,分,辨变,焦,成像,能,力。,四,生物医学领域相关应用,苏州医工所：近红外变焦超构表面透镜设计四生物医学领域相关应,28,四,结束语,超构表面透镜在光学,显,微成,像,及生,物,医用,光,学领,域,具有,特,别的,价,值,因其特有的超薄尺度可有效减小光学系统的体积，有助于实现大型 检测系统的便携化、微型化及可穿戴化,对于医学检测设备，如内窥镜，传统小尺度透镜设计和加工难度陡 增，超构表面透镜具备先天的优势，其口径方面的劣势也得到避免,功能方面，超构表面透镜具备实现传统透镜无法具备功能的潜力，开发超构表面透镜有望实现新型的高性能医学检测系统,目,前超构表面透镜在医学领域以及显微成像的应用研究仍处于相对 前沿的状态，应用前景广阔,四结束语超构表面透镜在光学显微成像及生物医用光学领域具有特别,29,谢,谢！,请批评指正！,谢 谢！,30,