计算几何引导的可见性解耦用于微结构表面的选择性相干与非相干成像

《Nano Today》:Computational geometry-guided visibility decoupling for selective coherent and incoherent imaging of microstructured surfaces

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月06日 来源:Nano Today 10.7

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   摘要通过先进微纳制造技术制备的几何微结构被广泛用于调控散射、衍射和波前调制等光学响应。然而,视觉可及性本身通常被视为材料对比度和成像条件的被动结果,而非可编程的设计变量。本文提出了一种用于光学可及性编程的计算几何框架,该框架将目标信息转化为具有选择性可及光学响应的连续微浮雕结

  

摘要

通过先进微纳制造技术制备的几何微结构被广泛用于调控散射、衍射和波前调制等光学响应。然而,视觉可及性本身通常被视为材料对比度和成像条件的被动结果,而非可编程的设计变量。本文提出了一种用于光学可及性编程的计算几何框架,该框架将目标信息转化为具有选择性可及光学响应的连续微浮雕结构。该框架结合基于符号距离场的几何编码、双通道光学预测和设计空间优化,在保持相干相位可读性的同时,最小化非相干明场可见性。通过控制高度调制和斜率连续性,在数值孔径受限的明场成像下抑制高空间频率边界特征,同时保留光程长度调制以实现相干全息重建。我们进一步定义了明场可见性、相干可及性和选择性可及指数,以指导优化几何结构的搜索。利用双光子聚合微结构和集成的Mnemosyne芯片作为验证平台,我们证明编码信息在传统明场观测下几乎无法辨认,而通过相干重建可被忠实恢复。本文将光学可及性表述为通道条件的几何设计目标,为微尺度信息存储和模态选择性微结构信息访问提供了一般策略。

引言

微纳制造技术的进步使得在亚微米尺度上对结构几何进行确定性控制成为可能,从而大幅拓展了功能微结构的设计空间[1,2,3,4,5]。因此,几何设计已成为编码和优化光学功能的主要机制[6,7,8,9,10]。重要的是,几何微结构化的影响不仅限于功能性光学响应[11],还控制着光学可见性本身,后者源于结构几何与成像条件之间的相互作用[12,13,14]。然而,在传统显微镜观测中,可见性通常被解释为所制备结构在给定成像配置下的响应[15]。与此同时,多功能光学信息系统中载体外观的直观呈现已被刻意设计。这些发展促使我们提出一个更具体的设计问题:在几何优化过程中,是否可以将制备的连续微浮雕的直接语义可检测性明确地作为通道特定的目标纳入其中[16,17,18]。
在主流的微纳尺度信息编码范式内,几何设计主要用于操纵光场以调节信息表示与访问[19,20,21,22]。在超表面及相关微光学信息载体中,通过亚波长尺度调制光相位、振幅和偏振实现高密度编码和多功能集成,例如基于超表面的全息成像和用于光场整形、聚焦及全息重建的波前工程[23,24,25,26,27]。相位恢复和超表面全息方法进一步提供了重建预定全息波前的成熟计算与结构途径,而多功能载体则证明直接观察到的颜色或纳打印信息可以与全息输出共存[28,29]。在这一更广阔的背景下,本文所研究的设计问题更为具体:同一连续微浮雕被优化以降低其在预定非相干明场通道中的语义可检测性,同时保留相干相位可恢复性。
相关地,表面功能化和微结构设计策略已被广泛探索,以通过受控散射和几何粗糙度来调控光学响应,例如通过激光烧蚀或激光诱导周期性表面结构实现[30,31,32]。这些研究主要聚焦于散射强度、光谱响应或材料功能,而未明确探讨几何连续性与不同成像模态之间视觉可及性的关系[33,34,35,36,37,38,39,40,41]。从成像物理学角度而言,相位物体的空间频率成分决定了其对衍射光谱和强度对比度的贡献,这是光学成像领域公认的原理。这些相位敏感方法建立了此处相关的前向成像基础:给定物体的相位或光程信息可以在直接强度成像中被微弱地表达,但在适当的相位敏感配置下可以恢复。互补的相位恢复和超表面全息方法为计算或结构相位编码及全息波前重建提供了成熟的先例。更为密切相关的多功能载体进一步表明,可见结构色或纳打印信息可以与全息输出相结合,而环境响应型结构色微结构则实现了条件依赖的信息访问。这些研究建立了相关的成像物理学和相位编码策略。本文考察了制备的连续微浮雕的几何结构是否可以直接针对两个预定观测通道进行优化:非相干明场成像中降低语义对比度以及相干成像中保留相位可恢复性。由此产生的几何搜索通过SDF编码、独立的明场和相干前向评估以及VBF、Acoh、SAI和Pareto优化来实现(附表S1)。
为实现这一设计目标,我们开发了一种计算几何框架,将目标信息转化为具有可控明场可见性和相干相位可读性的连续微浮雕几何结构。输入信息通过符号距离场进行编码并映射为平滑高度场,以连续斜率过渡取代突变边界。这种几何结构在数值孔径受限的非相干明场成像下抑制高空间频率边界特征,同时保留光程长度调制以实现相干全息重建。明场可见性、相干可及性和选择性可及指数,连同Pareto分析,用于搜索设计空间并识别合适几何结构。预测的几何-响应关系通过波动光学仿真、参数控制的双光子聚合微结构和Mnemosyne芯片进行验证,后者集成了微文字、灰度浮雕、自由悬浮空心结构和用于相干重建的低对比度微浮雕。综合这些结果,为针对预定明场和相干成像响应优化连续微浮雕几何结构提供了一条计算途径。

章节摘要

机理分析:非相干与相干成像下的几何调控可见性

在非相干明场显微镜中,微结构的可见性并非仅由其物理存在决定,而是取决于该结构引入的角度和空间频率成分能否被物镜收集。因此,该系统充当一个数值孔径受限的角度谱滤波器。产生大角度散射或强高空间频率成分的几何特征会产生可检测的强度对比度,而平滑特征

结论

本文提出了一种用于微结构信息载体中光学可及性编程的计算几何框架。通过将目标信息转化为连续微浮雕几何结构,该框架在统一的设计工作流程中将几何连续性、空间频谱成分和模态依赖的光学访问联系在一起。基于SDF的编码和设计空间优化使得非相干明场可见性得以降低,同时相干相位可读性得以保留。波动光学仿真

实验部分

所有微结构均采用双光子聚合技术在Nanoscribe GT2系统(Nanoscribe GmbH)上制备,以商用光敏树脂IP-S(IP-S, Nanoscribe GmbH)作为结构材料。制备过程中使用25×浸液物镜,打印分辨率设置为轴向(z)层厚0.7 μm,横向(xy)体素间距0.5 μm。激光功率以可用输出的100%运行,振镜扫描速度为100,000 μm/s以确保

CRediT作者贡献声明

Yongqiu Zheng:资源、概念化。Huaping Wang:资源、项目管理、概念化。Yaozhen Hou:撰写——审阅与编辑、项目管理、概念化。Shanming Bai:撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论。Juan Cui:撰写——审阅与编辑、资源、方法论。Tingshan Liu:撰写——审阅与编辑、方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金资助,项目编号62403056和62573060;北京市自然科学基金资助,项目编号4262067和L242023;河北省自然科学基金资助,项目编号F2026105015;以及中央高校基本科研业务费专项资金资助,项目编号2025CX01003。
Shanming Bai|Tingshan Liu|Juan Cui|Yongqiu Zheng|Yaozhen Hou|Huaping Wang
北京理工大学机械与能源工程学院智能机器人研究院,北京 100081,中国
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