引言
在生物医学成像应用中，微型光学元件的发展具有重要意义，特别是在解决组织引起的像差问题方面。由于高数值孔径（NA）光束在非均匀介质中传播，组织引起的像差显著限制了标准光学成像技术在活体内的穿透深度。传统的自适应光学策略虽然可以校正这些像差，但过程复杂且耗时。本文介绍了创新方法，使用可植入的高NA微透镜作为解决组织引起的球差的方案[1]。
设计原理
高折射率微透镜的设计始于一种受超透镜相位轮廓启发的新型准抛物面形状。传统的平球面透镜由于固有限制，无法在低焦距时实现高数值孔径。提出的设计保持平凸配置，但采用基于抛物面形状的改进曲面。这种方法可实现高NA（在水中可达1.25），同时提供约200微米的大视场（FOV）。
图1：抛物面微透镜的设计和模拟，展示了(a)抛物面透镜的三维示意图和(b)在N-BK7玻璃基底上制造的单个非球面抛物面微透镜的光学设计。红色垂直线表示主平面的位置。
制造工艺 制造过程采用生物相容性光刻胶SZ2080进行双光子聚合（2PP）。该过程包含以下关键步骤：
1. 初始结构形成 通过直接2PP写入使用连续螺旋扫描方法创建微透镜的外壳。扫描轨迹经过优化，消除等待时间，确保不同透镜高度之间的平滑过渡。
2. 表面优化 通过逐渐降低写入速度和激光功率实现”灰度式”方法，尤其是在透镜顶部的中心区域。这种优化确保激光脉冲在整个结构中的均匀吸收。 图2：微透镜制造示意图，展示了(a)外壳2PP写入程序，(b)核心交联的UV曝光过程，以及(c)具有不同焦距的已制造抛物面微透镜的SEM图像。
表面表征 使用扫描电子显微镜（SEM）和光学轮廓仪进行表面质量表征。制造工艺实现了显著的表面光滑度，平均线粗糙度Ra约为24.0±4纳米，整体表面粗糙度Sa约为22.7±3.3纳米。 图3：形状和表面表征，显示微透镜表面质量的SEM图像和证明已达到光滑度的光学轮廓仪测量结果。
光学性能 制造的微透镜通过多种表征技术评估光学性能：
1. 光束轮廓分析 使用不同波长（473、532和638纳米）的准直激光束测试聚焦能力和色差特性。 图4：通过微透镜的光束轮廓测量，显示(a)光学表征设置，(b)沿光轴的强度轮廓，以及(c)不同波长下的光束尺寸测量。
成像应用
微透镜在透射和荧光成像应用中都表现出优异的性能。当与显微物镜耦合时，可实现：
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高放大倍率（最高3.85倍）
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大视场（约200微米）
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透射和荧光模式下的优质图像
图5：光学性能演示，显示通过具有不同数值孔径物镜的微透镜的宽场成像结果和荧光成像能力。
结论
本文介绍的高折射率微透镜在光学成像技术领域取得了重要进展。简单而有效的设计，结合高光学质量和生物相容性，使其特别适合活体成像应用。在保持优异表面质量的同时实现高NA和宽视场，展示了这项技术在推进生物成像能力方面的潜力。
参考文献
[1] B. S. Kariman et al., “High dioptric power micro-lenses fabricated by two-photon polymerization,” Opt. Express, vol. 32, no. 27, pp. 48114-48131, Dec. 2024.
