文献解读 | 轴向多焦点超透镜：一片 TiO₂ 平面镜片如何让光声显微成像免去轴向扫描（Science Advances 2025）
论文简介
这篇论文解读的是 Aleksandr Barulin、Elena Barulina、Dong Kyo Oh、Yongjae Jo、Hyemi Park、Soomin Park、Hyunjun Kye、Jeesu Kim、Jinhee Yoo、Junhyung Kim、Gyusoo Bak、Yangkyu Kim、Hyunjung Kang、Yujin Park、Jong-Chan Park、Junsuk Rho、Byullee Park 与 Inki Kim 等人 2025 年 1 月发表于 Science Advances 的工作：Axially multifocal metalens for 3D volumetric photoacoustic imaging of neuromelanin in live brain organoid（DOI: 10.1126/sciadv.adr0654，开放获取，CC BY 4.0；PMC 全文）。论文由韩国成均馆大学（生物物理系与量子生物物理研究所）、浦项科技大学（机械工程系，Junsuk Rho 超表面课题组）与釜山国立大学（光学与机电工程系）等团队合作完成。
一句话贡献：论文用一片口径 1 mm、纳米柱高 900 nm 的二氧化钛（TiO₂）平面超透镜，在 532 nm 波长产生一根轴向约 580 μm、横向半高全宽（FWHM）仅 2.03 μm 且强度高度均匀的细长聚焦光束，使光学分辨率光声显微成像（optical-resolution photoacoustic microscopy，OR-PAM）无需轴向扫描，就能对表面起伏的前脑与中脑类器官做三维体积成像——论文称这是此类”超透镜景深扩展光声显微成像”（metalens-based elongated depth-of-field PAM，MeD-PAM）的首次实验演示。
光声显微成像为什么需要一根很长的聚焦光束
先交代成像原理。光声成像（photoacoustic imaging，PAI）用短脉冲激光照射样品：被吸收的光能引发快速热弹膨胀，向外辐射宽频超声，由超声换能器接收后重建图像。图像的对比度来自光学吸收，因此不需要荧光标记就能看见黑色素、血红蛋白这类天然强吸收物质。把激光聚焦到接近衍射极限的小光斑、逐点扫描，就是光学分辨率光声显微成像 OR-PAM——横向分辨率由聚焦光斑决定，可以达到微米量级；而轴向层析靠的是超声到达时间，轴向分辨率主要由超声探测带宽决定，与光学焦点长短没有直接关系。正因为如此，一个反直觉的结论成立：把光学焦点在轴向拉长，并不会破坏 OR-PAM 的轴向分辨能力，却能让更多样品深度同时处于横向高分辨的焦深（depth of field，DOF）之内。
麻烦在于普通透镜的焦点拉不长。高斯光束聚焦时，焦深与数值孔径（numerical aperture，NA）互相制约：NA 越大、光斑越小，轴向焦深越短。想做高横向分辨率，就不得不接受浅景深；遇到表面起伏的样品，一次扫描里只有很薄一层清晰，其余部分要靠轴向逐层扫描或多帧合焦来补。类脑器官正是这种样品的典型：表面不平整、内部结构深达数百微米，还存在坏死核与蛋白聚集体造成的折射率不均匀。传统明场（bright-field，BF）显微镜在类器官这类浑浊组织里的成像深度只有约 100 μm，要做内部观察通常得切片或组织透明化；OR-PAM 靠声学探测可以看得更深（活体组织约 1 mm 量级），但浅景深又把免扫描三维成像这条路堵住了。
过去扩展景深的路子各有代价：结构化照明或轴向移动焦点需要额外装置与多次采集；轮廓扫描与合成孔径聚焦依赖较重的后处理；贝塞尔光束（用轴锥镜 axicon 产生）景深很长，但主瓣周围存在来自零阶贝塞尔函数平方的显著旁瓣，且轴向强度沿传播距离明显起伏，会不均匀激发不规则样品。把它们摆在一起，就能看出论文想补上的位置。
表 1：OR-PAM 景深扩展路线的对比（内容依据论文引言与光声显微成像综述整理，出处见文末参考资料）
| 路线 | 景深来源 | 优点 | 主要代价 |
|---|---|---|---|
| 常规高斯光束 OR-PAM | 高 NA 紧聚焦 | 横向分辨率高、系统简单 | 焦深与 NA 互相制约，需轴向扫描 |
| 贝塞尔光束 PAM | 轴锥镜产生无衍射光束 | 景深长、免轴向扫描 | 旁瓣强、轴向强度不均匀 |
| 结构化照明 / 轮廓扫描 / 合成孔径 | 照明花样、样品轮廓或计算聚焦 | 可在一定范围内恢复离焦信息 | 需要多次采集或较重后处理 |
| 轴向多焦点超透镜（本文） | 60 个焦点沿轴向叠成长光束 | 免轴向扫描、旁瓣弱、轴向强度起伏 <5% | 器件尚需在 532 nm 透射式离体系统验证 |
设计：把 60 个焦点叠成一根细长光束
论文没有走逆向设计的路线，而是用正演方法直接拼相位。器件指标很朴素：工作波长 532 nm、口径 1 mm、设计 NA=0.15。设计者想要的不是”一个点焦斑”，而是一串沿轴向排布的焦点：总共 60 个焦点，相邻焦点间隔约 10 μm，第 k 个焦点的焦距按
$$f_k=f_1+(k-1)\left[d_{\mathrm{interfoci}}+V(k-1)\right]$$
随焦点编号缓慢增加，其中 $V=15$ nm 是一个很小的间距修正项——焦距越长的焦点，其轴向焦斑自然越宽，论文用 $V$ 让远端焦点间距略微加大，补偿这种展宽，使整串焦点连成的光强轮廓在轴向保持均匀。关键约束是相邻焦点的最大间距保持在单个焦点的瑞利距离（论文给出 $Z_R\approx 13.5$ μm）以下，这样 60 个焦点才会在传播方向上叠合成一根连续的长光束，而不是一串能分辨开的独立焦斑。
相位怎么分配？器件先写一份”普通会聚透镜”的相位，焦距取 $f_1$：
$$\varphi_{\mathrm{lens}}(x,y)=-\frac{2\pi}{\lambda}\left(\sqrt{x^{2}+y^{2}+f_1^{2}}-f_1\right)$$
再在每个亚波长单元（meta-atom）上叠加一个”焦点平移”相位项，把该单元的光束焦点从 $f_1$ 移到它被指派的那个 $f_k$：
$$\varphi_{\mathrm{foci}}(x,y)=\sum_{k=1}^{K}\left[-\frac{\pi n(x^{2}+y^{2})}{\lambda}\left(\frac{1}{f_{k}}-\frac{1}{f_{1}}\right)-\pi kA\right]\mathrm{Loc}_{k}(x,y)$$
其中 $n$ 是介质折射率（空气中为 1），$A$ 是调节光束直径与旁瓣强度的系数，$\mathrm{Loc}_{k}$ 是取值 0 或 1 的二进制矩阵：它决定每一个单元到底属于 60 个焦点中的哪一个。全部单元的总响应近似等于 60 个焦点各自光场的加权和，于是同一片镜片同时”装着”60 枚焦距不同的透镜。
图 1：MeD-PAM 的概念与超透镜设计。(A) 装置示意：超透镜把 532 nm 脉冲光聚焦成细长光束，超声换能器（UST）接收来自表面起伏类脑器官的光声信号；(B) 相位图设计：会聚透镜相位叠加各焦点的轴向平移相位，二进制矩阵 Loc_k 把每个 meta-atom 随机指派给某个焦点，F1、F10、F35、F60 对应焦点编号的平移相位；(C) NA=0.15 时轴向多焦点光束（上）与单焦点光束（下）模拟强度分布对比；(D) 制备器件不同放大倍数与视角的扫描电子显微镜（SEM）图。
图 1B 还藏着一个决定成败的细节：$\mathrm{Loc}_k$ 怎么选。如果按等面积圆环或扇区把镜面分给不同焦点，大面积周期性分区会在超表面内部引入类似光栅的效应，60 个焦点之间的干涉让长光束内部出现明显起伏；论文的做法是给每个单元随机指派一个焦点编号，用数值传播模拟筛选随机种子，最终得到轴向平滑、旁瓣压低的光束。
器件本体是圆形二氧化钛纳米柱：柱高 900 nm、周期 300 nm，直径在 90–255 nm 之间变化即可把相位调满 0–2π，且亚波长周期能保证相位采样足够细密。制备走的是”母模翻印”路线：先用电子束光刻（EBL）在硅片上做出母模，翻出互补软模，再把含 TiO₂ 粒子的聚合物树脂压在玻璃片上固化、脱模，得到 1 mm 口径、柱体形貌规整的平面器件。
表征：一根 580 μm 长、横向 2.03 μm 的均匀细光束
设计说得再好，也要看实测。论文用 532 nm 连续激光搭建透射式测量台，把准直光束打向超透镜，在多个轴向平面上逐层记录点扩散函数（point spread function，PSF）。结果很干净：横向强度 FWHM 为 2.03 μm，并且至少在 500 μm 的轴向范围内保持不变；轴向强度轮廓的 FWHM 约 580 μm，与数值仿真吻合；500 μm 景深内的轴向强度标准差不超过 5%，说明这根长光束对样品的激发强度确实均匀。聚焦效率（进入中心焦斑的功率占入射功率的比例）约 20%，论文给出的解释包括工艺缺陷、调节项 $A$ 对主瓣能量的分摊、单元折射率随机起伏造成的瑞利散射，以及长光束本身把能量摊到更大轴向范围——这个数字与文献中 meta-axicon 的效率相当，而作为对照，贝塞尔光束主瓣承载的功率比例可以低到约 5%。
图 2：超透镜 PSF 实测。(A)–(C) 轴向坐标 z=−250、0、+250 μm 处的横向焦斑强度分布，z=0 为长光束中心平面；(D) (A)–(C) 的横向强度剖面线；(E) 细长光束的轴向强度轮廓；(F) 数值仿真与实验得到的轴向强度轮廓对比。
两个数字可以互相印证：把轴向长度除以横向宽度，580 μm ÷ 2.03 μm ≈ 286，正是论文摘要里”纵横比约 286”的来源；把 60 个焦点均摊在约 580 μm 的景深里，平均间隔约 9.7 μm，也与设计值”约 10 μm”一致。横向 2 μm 量级的焦斑意味着这套光学系统支持微米级的光声显微分辨率——紧聚焦透镜能给的横向分辨率，长光束并没有牺牲掉。
模型实验：斜着的碳纤维与碳叶
光束表征通过后，论文把超透镜装进自制的透射式光声显微系统（MeD-PAM），用碳纤维和碳叶这类强吸收模型样品检验”长景深到底带来什么”。对照实验选了两枚常规镜片：一枚有效 NA≈0.12 的非球面镜和一枚有效 NA≈0.19 的物镜，三种方案都调整到相同的样品照明功率密度。
结果把景深差距摆得很直白：超透镜实测景深 580 μm，是非球面镜（152 μm）的 3.8 倍、是物镜（21.4 μm）的 27.1 倍。论文还记录了两个值得注意的细节：非球面镜按公式估算的景深本应只有约 49 μm，实测偏大是像差所致；物镜的景深则已经接近衍射极限给出的下界。更重要的是，横向分辨率没有被长景深拖累——超透镜的横向焦斑反而比非球面镜更细。
图 3：斜置模型样品的景深扩展成像对比。(A)–(C) 两根分别以 4°45′ 与 9°30′ 相对基底倾斜的碳纤维，用超透镜 (A)、非球面镜 (B)、物镜 (C) 得到的深度编码 PA 图像，图中距离数值为左纤维在图像中可见的长度；(D)–(F) 斜置碳叶分别用超透镜 (D)、非球面镜 (E)、物镜 (F) 成像；标尺 500 μm。
图 3 里信号深度被编码成颜色，直观展示样品沿轴向的分布。碳纤维相对基底倾斜意味着纤维沿轴向逐渐远离焦面，浅景深镜头只能照亮中间一小段，超透镜却能沿着数百微米的斜面持续给出清晰信号，图上可见的纤维长度明显更长。碳叶实验复现了同样的优势。这里的”深度编码”与普通光学无关：每一处光声信号到探测器的时间携带深度信息，超声时间分辨探测天然把第三维写进了信号里——这正是长光学焦深不会牺牲轴向分辨率的物理基础。
脑类器官里的无标记三维成像
模型样品证明器件能工作，生物样品才见真章。论文的观察对象是神经黑色素（neuromelanin）：一种在人脑黑质多巴胺能神经元等部位随年龄累积的深色色素，对可见光有强吸收，天然适合做光声对比物。中脑多巴胺能神经元的选择性丧失与神经黑色素代谢异常被认为是帕金森病（Parkinson’s disease，PD）病理研究的重要线索——需要说明的是，神经黑色素累积与神经元脆弱性之间的因果机制至今仍无定论，论文只是把它作为研究动机。类脑器官（brain organoid）是由人诱导多能干细胞（human induced pluripotent stem cells，hiPSC）三维分化出的迷你人脑模型，可以在体外重现前脑、中脑等区域的特征，但它们表面不平整、组织浑浊，普通光学显微镜看不到内部。
论文用 MeD-PAM 对两类含黑色素类器官做了无标记体积成像：生长 170 天的前脑类器官与 132 天的中脑类器官。图 4 是这场实验的核心证据。
图 4：含黑色素前脑与中脑类器官内神经黑色素的三维光声成像。(A)–(F) 生长 170 天的前脑类器官：光声最大振幅投影（PA MAP，A）、深度编码 PA 图 (B)、沿红色/黄色虚线的 PA 横截面 (C)、明场（BF）图 (D)、3D 渲染 PA 图 (E) 与 Fontana-Masson 染色 (F)；(G)–(L) 生长 132 天的中脑类器官的同样六种视图；A 与 D 中四个箭头指向同一位置；标尺 500 μm。
看前脑类器官那一列：BF 图（D）里，除了左上角，箭头所指的内部黑色素颗粒都是模糊的——这正是浑浊组织内约 100 μm 成像深度上限的表现；同一位置的 PA 最大振幅投影（A）却把内部信号勾勒得清清楚楚，深度编码图与横截面进一步把信号按深度拆开。论文还在中脑类器官的 PA 横截面里标出更深的信号：红色箭头指向 0.44 mm 深处、黄色箭头指向约 0.37 mm 深处的神经黑色素信号，两者在对应的 BF 图里都不可见，而用常规非球面镜或物镜做对照时，玻璃-类器官界面以下超过约 200 μm 就再也看不到神经黑色素了。
定量分析把”看得见”变成了”数得出”。论文把超过背景噪声 3 倍标准差的光声像素求和，定义为神经黑色素含量并归一化：132 天的中脑类器官含量约为相近成熟阶段（150 天）前脑类器官的 3.4 倍；对一系列前脑类器官的追踪还显示，黑色素含量从 150 天到 170 天再到 216 天逐步增加，说明这套系统可以无标记地跟踪黑色素生成（melanogenesis）的进程。Fontana-Masson 染色与多巴胺能神经元标志物染色从组织学一侧验证了光声信号的来源。
意义与展望
这项工作的意义在于，它把”用相位工程造一根理想光束”与”生物医学成像的实际痛点”接在了一起：一片 1 mm 口径、整体厚度在 1 μm 以下的平面镜片，同时完成了长焦深、横向衍射极限聚焦、低旁瓣与均匀轴向激发四件事，让 OR-PAM 免去轴向扫描就能对表面起伏的三维样品成像，而且整套系统没有轴锥镜、没有额外光路、没有繁重的后处理。制备上采用电子束母模加软压印的路线，也为平面光学器件从小批量走向复制留下了空间。
从原理验证走向实际应用仍有待推进的方向。论文自己划出的边界包括：当前系统是透射式、面向离体成像环境；OR-PAM 的穿透深度一般在 1 mm 量级，对文中这类数百微米的类器官足够，但类器官长大后（2–3 mm 量级）性能可能受限，论文提出增大光学焦斑尺寸与光强来适配。此外，超表面的相位响应本来就可以随偏振、波长乃至轨道角动量变化，把这根轴向长光束做成可调、多通道的版本，是论文明确指出的扩展方向。更长远看，无标记、免扫描地定量追踪神经黑色素生成，可能为帕金森病等神经退行性疾病的机制研究与药物筛选提供一个紧凑的体外平台。
参考资料
- Barulin A, Barulina E, Oh DK, et al. Axially multifocal metalens for 3D volumetric photoacoustic imaging of neuromelanin in live brain organoid. Science Advances 11, eadr0654 (2025). DOI: 10.1126/sciadv.adr0654；PMC 全文（开放获取，CC BY 4.0）。
- Jeon S, Kim J, Lee D, Baik JW, Kim C. Review on practical photoacoustic microscopy. Photoacoustics 14, 100141 (2019). DOI: 10.1016/j.pacs.2019.100141；PMC 全文。
- Vila M. Neuromelanin, aging, and neuronal vulnerability in Parkinson’s disease. Movement Disorders 34(10), 2019. DOI: 10.1002/mds.27776；PMC 全文。
- 论文图 1–4 官方原图（PMC 存储，CC BY 4.0）：见 PMC 文章配图页。