【前沿分享】单液晶透镜实现多波长双模式并行显微成像

近日，汕头大学研究团队在《Photonics Research》（2026年第4期）发表了题为 “Dual-mode microscopic imaging enabled by a single liquid crystal lens” 的研究成果，并入选 Editors’ Pick。该研究提出了一种单片集成液晶双模式成像新方案，为简化多模态显微系统、提升实时观测能力提供了全新路径。

行业背景与痛点

多模态显微成像系统在生物医学、生命科学、精密检测等领域具有关键应用价值。然而，传统单模态显微成像难以同时获取样本透射信息与高对比度边缘细节。传统多模态成像系统通常需要机械切换与复杂的 4f 光路，存在时序误差、体积庞大、集成度低等瓶颈，制约了动态生物样本的实时观测。基于液晶光子学的多模式并行成像技术有望突破上述局限，但现有器件仍面临功能单一、光谱适应性差、难以同步并行输出等挑战。

创新性解决方案

针对上述问题，汕头大学研究团队创新性地提出并研制了一种低成本、电控可调的多波长双模双通道液晶（MD²LC）透镜，将涡旋相位调制、聚焦与光束分束三种功能高度集成于单一液晶器件中。

在单一光路架构下，该器件可生成空间分离的双成像通道，无需传统 4f 傅里叶滤波系统，即可在同一相机帧内同步获取明场图像与相衬图像。这显著降低了系统复杂度，并有效消除了模式切换带来的时间延迟，为紧凑化、多功能显微成像系统提供了新的技术路径。

图1 MD²LC透镜设计原理图及其成像原理。(a) MD²LC透镜将涡旋相位调制、聚焦和分束功能集成至单个液晶器件；(b) 传统螺旋相衬成像系统示意图；(c) MD²LC透镜实现双模式双通道成像示意图

器件制备与实验性能

在器件制备方面，团队结合数字微镜器件（DMD）无掩模步进光刻技术与液晶光取向工艺，成功制备出尺寸为 12.2472 mm × 12.2472 mm 的大孔径 MD²LC 透镜，最小像素单元尺寸为 3.78 μm × 3.78 μm。

图2 MD²LC透镜的制备、表征和实验光路。(a) 使用步进光刻工艺制造大面积MD²LC透镜的示意图；(b) MD²LC透镜在450、520和632.8 nm处测量的电压-相位延迟曲线；(c) MD²LC透镜在三个相应波长下的电压-透射率曲线；(d) 在偏光显微镜中的交叉和平行偏振片下观察到的MD²LC透镜的结构细节；(e) 宽光谱成像实验光路

·宽光谱稳定成像：通过外加电压调控液晶分子的预倾角，器件在不同波长下满足半波相位延迟条件，实现了在 450 nm、520 nm 和 632.8 nm 三个典型波段下的稳定成像。

·快速响应与高透过率：器件的电光响应时间最快可达 71.55 ms，兼具高透过率与快速响应特性。

·生物成像应用潜力：在对三叶草、字母以及小麦表皮细胞的显微成像实验中，系统能够同步获得高保真明场图像与高对比度边缘增强图像，成功提取出细胞整体透过率信息与细胞壁边缘细节，充分展现了其在无标记、非侵入式生物成像领域的应用潜力。

图3 MD²LC透镜的电控宽光谱成像性能（比例尺为200 μm）。(a)–(c) MD²LC 透镜分别在450 nm、520 nm和632.8 nm波长处的点扩散函数；(d)–(l)三叶草、“STU”和汉字物体在相应波长下的双模式双通道成像结果

图4 MD²LC透镜的显微成像性能

总结与展望

通信作者周雅琴博士表示：“这项工作验证了基于单一液晶透镜实现双模双通道显微成像的可行性。该器件成本低、透过率高，易与现有平台兼容集成。团队的后续工作将致力于进一步拓展成像通道与成像模式，实现目标物体多维信息的实时获取，有望对生物医学诊断、活细胞观测与便携成像设备研发等领域产生积极影响。”

华东师范大学齐大龙研究员对此项工作给予了高度评价，认为该技术为简化多模态显微系统、提升实时观测能力提供了全新路径，在无标记生物成像、便携化诊断设备与生命科学研究中具有重要应用前景。

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