封 面 文 章 | Li XT, Seong J, Kim Y et al. Electrically switchable bright-field and interference-synthesized edge-enhanced imaging with a polarization-multiplexed metal ens. Opto-Electron Sci 5, 260044 (2026).

作 者 ： 李 小 桐 ? ， Junhwa Seong ? ， Yeseul Kim ， Kwang-Suk Oh ， 胡 示 骐 ， 代 乐 ， Harit Keawmuang ， Beomha Yang ， Minseok Choi ， Youngsun Jeon ， Cherry Park ， 李伟妍 ， 贾天 旭 ， 朱 寒 ， 蔡 晓 东 ， 郑 琦 ， 史 金 辉 ， Young-Ki Kim ， 邵 宇 川 * ， Trevon Badloe* ， Junsuk Rho*

?同等贡献作者；*通信作者

研究背景

在紧凑型光学系统中，同一成像器件既能获取场景的明场信息，又能直接突出结构边界，是实现光学前端信息处理的重要目标。研究团队将电压控制液晶单元与偏振复用超透镜结合，在同一系统中获得X偏振明场、Y偏振明场和45°偏振边缘增强三种工作状态。第三种响应并非作为独立功能通道被预先编码，而是由两个基础成像通道的相干叠加生成，并可通过液晶电压进行选择。

成像系统会通过空间频率传递函数，对物体携带的不同空间频率成分进行选择和加权。对于透明或弱散射样品，常规明场图像中的强度差异往往较小，结构边界不易辨认。暗场、相衬和微分干涉等传统方法可以提高对比度，但通常依赖相位板、棱镜、共轭孔径面或精密干涉光路，不利于系统的小型化与集成。超表面能够在亚波长尺度调控光的振幅、相位和偏振，为紧凑型光学图像处理提供了新的平台。然而，已有超表面图像处理器多采用“一个通道对应一个预设传递函数”的思路；即便引入偏振或波长复用，各通道通常也只是独立承载功能。如何利用通道之间的相干作用，在不增加独立编码通道的情况下合成新的成像响应，仍是值得探索的问题。

本文亮点

针对上述问题 ，韩国浦项科技大学Junsuk R ho教授课题组联合多个团队设计并制备了工作于635 nm的液晶集成偏振复用超透镜。器件由二氧化硅衬底上的矩形氢化非晶硅纳米柱构成 ，标称焦距为800 μm ，液晶单元以三个校准电压选择到达超透镜平面的X、 Y或45°线偏振。这样 ，无需更换或旋转超透镜， 即可在两个明场状态和一个边缘增强状态之间进行电控切换。

两个基础通道具有相同的标称焦平面，却采用不同的有效孔径。X偏振通道的直径为570μm，数值孔径为0.336，提供较宽的低通空间频率响应；Y偏振通道的直径为120μm，数值孔径为0.075，对应较窄的低通响应。研究人员同时在两通道的重叠孔径区域引入近似π的相对相位差。当采用45°偏振照明，并在输出端通过45°检偏器将两个正交分量投影到同一偏振基底时，两路复场发生相干叠加：共有的低空间频率成分被相消抑制，而仅由较大孔径支持的较高空间频率成分得以保留，由此形成第三种边缘增强传递函数。换言之，该功能是由两路低通响应通过干涉“合成”而来。

图1液晶集成偏振复用超透镜的工作原理。液晶单元通过电压选择X、Y和45°线偏振，X、Y通道分别提供不同截止空间频率的低通响应，45°状态通过相干叠加抑制共有低频并保留较高空间频率，

形成边缘增强响应

实验中， X、 Y和45° 三种状态的焦斑半高全宽分别约为1.2、4.8和1.1 μm ，与理论预测相符 ，相应聚焦效率分别为43%、 36%和24% 。45°状态的输出功率较低 ，不仅来自偏振投影和器件透射损耗 ，还包含对共有低频成分进行有意相消所造成的功率抑制， 因此是边缘增强机制的一部分 ，而不能简单归因于非理想损耗。在USAF 1951分辨率板实验中， X偏振通道给出较高分辨率的明场图像， Y偏振通道呈现较低空间带宽的明场响应 ， 45°状态则在目标轮廓两侧形成清晰的成对边缘。

图2 三种偏振状态下的USAF 1951分辨率板成像与调制传递函数结果。 X、 Y通道形成不同空间带宽

的明场图像，45°状态呈现清晰的成对边缘响应

为验证相干相位关系的必要性，研究团队还制作了有效孔径和焦距相同、但不含π相位偏置的对照超透镜。对照器件能够保留X、Y两种明场响应，却不能在45°状态下重现边缘增强，说明孔径差异与偏振投影本身并不足以产生该功能，受控相位关系和相干干涉才是关键。

研究人员进一步对蚯蚓横截面、洋葱表皮细胞和女贞幼茎进行成像。X偏振明场状态能够显示样品总体形貌，切换到45°状态后，低频背景受到抑制，组织边界、细胞轮廓及部分细微结构更加醒目。上述结果表明，该器件能够在无需数字后处理的情况下，直接在光学域完成空间频率筛选，为透明生物样品的无标记对比度增强提供紧凑方案。

图3透明生物样品成像结果。蚯蚓横截面、洋葱表皮细胞和女贞幼茎的成像表明，45°状态能够增强

组织及细胞结构边界

这项工作的核心意义 ，是把“通道间相干作用 ” 引入超表面传递函数工程 ：两个基础成像通道既可独立工作 ，也可通过干涉合成新的有效响应； 液晶调控则将偏振选择转化为电压选择 ，从而实现工作状态的电控切换。该思路为电可重构光学预处理、无标记显微成像和集成成像系统提供了新的设计路径 。 当前概念验证器件针对635 nm窄带相干照明设计 ，边缘增强状态对波长偏移、加工误差、离焦和离轴像差更为敏感 ，系统中也仍使用输入与输出偏振元件。未来可通过低损耗纳米结构、色散工程和集成偏振选择器件 ，进一步提高效率、拓展工作波段并提升系统集成度。

该 工 作 以 “Electrically switchable bright-field and interference-synthesized edge-enhanced imaging with a polarization-multiplexed metalens” 为题发表在Opto-Electronic Science 2026年第9期 ，并被选为封面文章。

【基金支持】 本研究得到了由浦项钢铁公司(POSCO)资助的POSCO-POSTECH-RI ST融合研究中心项目， 以及由韩国科学技术信息通信部 （MSIT） 资助的国家研究基金会（ NRF ） 项 目 （ 编 号 ： RS-2026-25507992, RS-2025-17492968, RS- 202502317602, RS-2025-02217649, RS-2024-00462912, RS-2024-00356928 ）的资金支持 。 此外， 本研究还获得了由韩国保健福祉部资助 、 韩国保健产业振兴院（KHIDI） 管理的韩国ARPA-H项目的支持（编号： RS-2025-25454431） 。T. B. 感谢韩国科学技术信息通信部（MSIT） 资助的NRF项目（编号： RS-2026-25598896） ，以及由韩国教育部（MOE） 和世宗市资助、通过世宗ANCHOR中心实施的ANCHOR项目（编号： 2026-ANCHOR-08-001） 的支持。

研究团队简介

论文作者团队来自浦项科技大学 、 高丽大学世宗校区 、 中国科学院上海光学精密机械研究所 、 韩国科学技术院 、 哈尔滨工程大学 、东南大学和上海大学等单位 ， 研究方向涵盖超构光学 、 纳米光子学 、 液晶调控 、 微纳加工与成像系统 。 李小桐与Junhwa Seong为共同第一作者 ，邵宇川、Trevon Badloe和Junsuk R ho为通讯作者。本研究结合理论设计、数值建模、器件制备、液晶电控和显微成像实验 ，完成了从传递函数设计到生物样品验证的系统研究。

Junsuk R ho 课题组合照

Junsuk R ho (鲁埈锡)

Junsuk R ho（鲁埈锡） 现为韩国浦项科技大学（POSTECH） 延山（Yeonsan） 讲座教授和无垠斋（Mu-Eun-Jae） 讲座教授 ，任机械工程系、化学工程系、 电气工程系及量子科学与技术学院教授 ， 并担任POSCO-POSTECH-RI ST平面光学与超光子学融合研究中心主任 。他于2007年获得首尔国立大学机械与航空航天工程学士学位 ， 2008年获得伊利诺伊大学厄巴纳 -香槟分校机械科学与工程硕士学位 ， 2013年获得加州大学伯克利分校机械工程与纳米科学及工程博士学位。加入POSTECH之前 ，他曾在劳伦斯伯克利国家实验室材料科学部和分子铸造中心从事博士后研究 ， 随后在阿贡国家实验室纳米科学与技术部及纳米材料中心担任Ugo Fano Fellow和项目负责人。他的研究方向包括超材料、超表面、纳米光子学、微纳制造、平面光学、光学成像、新型显示和光子计算。近年来 ，入选2023年和2024年科睿唯安全球高被引科学家 ，获得2024年ACS Nano Lectureship和韩国“本月科学家 ”奖 ，并于2026年当选国际光学工程学会会士（SPIE Fellow） 。

个人主页：

https://photonics.postech.ac.kr/welcome

Trevon Badloe

Trevon Badloe目前是韩国高丽大学世宗校区电子信息工程系的助理教授 。他于2023年在韩国浦项科技大学（POSTECH） 机械工程系获得博士学位 ， 师从Junsuk R ho教授 。之后 ，他作 为 PI URI 研 究 员 在 浦 项 科 技 大 学 人 工 智 能 研 究 生 院 从 事 博 士 后 研 究 。 在 赴 韩 国 之 前 ， Trevon Badloe于2012年在谢菲尔德大学物理与天文系获得物理学硕士学位 。他的研究方向包括纳米光学 、 超构光子学及其与人工智能在逆向设计 、光学传感 、成像和计算光学领域的融合应用。

个人主页: https://metai.korea.ac.kr/

邵宇川课题组合照

邵宇川

邵宇川，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员、博士生导师，现任上海光机所副所长，曾任薄膜光学实验室主任。2009年获中国科学技术大学学士学位，2012年获中国科学院上海光学精密机械研究所硕士学位，2016年获美国内布拉斯加大学林肯分校博士学位。此后先后在耶鲁大学和北卡罗来纳大学教堂山分校从事博士后研究，并于2018年至2019年在美国苹果公司担任高级工程师；2019年回国加入上海光机所。主要从事光电材料与器件、钙钛矿半导体、太阳能电池、光电探测器、X射线探测器、薄膜光学、超表面和超透镜成像等方向的

研 究 ， 相 关 成 果 发 表 于 Science 、 Nature Energy 、 Nature Materials 和 Nature Communications 等期刊 。 2019年入选第十五批 “ 海外高层次人才引进计划 ” 青年项目 ， 2019年至2021年连续入选全球高被引科学家名单 ， 2022年入选“ 上海科技青年35人引领计划 ”。

个人主页: http://www.siom-shao.com/

长按识别此二维码，直达全文

点击下载PDF

文章荐读

光电科学

光电期刊集群

Opto-Electronic Journals Group

敬请关注

www.oejournal.org

OE光电

开放投稿

总览学科发展

ROE

光电评论

开放投稿

汇集综述评论

OEE

光电工程

提能拓展计划

中文核心

EI

关注工程应用

OEA

光电进展

卓越行动计划SCI, EI

J IF 22.4

引领创新前沿

OES

光电科学

卓越行动计划

ESCI

J IF 26.9

面向基础科学

OET

光电技术

卓越行动计划

DOAJ

开放投稿

聚焦核心技术

EOE

光电工程（英文版）

开放投稿

融合理论与工程

OEP光电 +

英文新刊开放投稿

学科交叉融合

OEI

光电信息

英文新刊开放投稿

赋能信息科学

IOE

智能光电

英文新刊开放投稿

携手智能科技

OEM

光电制造

英文新刊开放投稿

助力先进制造

OED

光电发现

英文新刊开放投稿

探索生命与自然

OES · 目录

上一篇

OES | 告别“理想成像 ”假设 ：物理神经场让定量相位成像更精准【南京理工大学陈钱、左 …

下一篇 OES | 黑白之间 ，多彩变换 ：“Janus热控材料/

功能”调控新范式【上海交通大学张东石副教