Published January 26, 2023 | Version v1
Publication Open

Metasurface-Enabled 3-in-1 Microscopy

Creators

  • 1. Heriot-Watt University
  • 2. National Science and Technology Development Agency
  • 3. National Electronics and Computer Technology Center
  • 4. University of Glasgow

Description

Edge enhancement and polarization detection are critical to image transparent or low-contrast samples. However, currently available systems are limited to performing only a single functionality. To meet the requirement of system integration, there is a pressing need for a microscope with multiple functionalities. Here, we propose and develop a microscope with three different functionalities based on spatial multiplexing and polarization splitting. A novel geometric metasurface (MS) is used to realize a spiral phase profile and two phase gradient profiles along two vertical directions, which can perform such an extremely challenging optical task. This is the first demonstration of a 3-in-1 microscope that can simultaneously obtain five images with different optical properties in an imaging plane for the same sample. Imaging experiments with different samples verify its capability to simultaneously perform edge imaging, polarimetric imaging, and conventional microscope imaging. Benefiting from the compactness and multifunctionality of the optical MS device, the integration does not increase the volume of the microscope. This approach can enable users to visualize the multiple facets of samples in real-time.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد تحسين الحواف واكتشاف الاستقطاب أمرًا بالغ الأهمية للعينات الشفافة أو منخفضة التباين. ومع ذلك، تقتصر الأنظمة المتاحة حاليًا على أداء وظيفة واحدة فقط. لتلبية متطلبات تكامل النظام، هناك حاجة ملحة إلى مجهر بوظائف متعددة. هنا، نقترح ونطور مجهرًا بثلاث وظائف مختلفة تعتمد على تعدد الإرسال المكاني وتقسيم الاستقطاب. يتم استخدام سطح ميتا هندسي جديد (MS) لتحقيق ملف تعريف طور حلزوني وملف تعريف تدرج مرحلتين على طول اتجاهين رأسيين، مما يمكن أن يؤدي مثل هذه المهمة البصرية الصعبة للغاية. هذا هو أول عرض توضيحي لمجهر 3 في 1 يمكنه الحصول في وقت واحد على خمس صور ذات خصائص بصرية مختلفة في مستوى التصوير لنفس العينة. تتحقق تجارب التصوير باستخدام عينات مختلفة من قدرتها على إجراء تصوير الحافة والتصوير الاستقطابي والتصوير المجهري التقليدي في وقت واحد. وبالاستفادة من صغر حجم جهاز MS البصري وتعدد وظائفه، لا يؤدي التكامل إلى زيادة حجم المجهر. يمكن لهذا النهج تمكين المستخدمين من تصور الجوانب المتعددة للعينات في الوقت الفعلي.

Translated Description (French)

L'amélioration des bords et la détection de la polarisation sont essentielles pour obtenir des échantillons transparents ou à faible contraste. Cependant, les systèmes actuellement disponibles se limitent à une seule fonctionnalité. Pour répondre à l'exigence d'intégration du système, il existe un besoin pressant d'un microscope avec de multiples fonctionnalités. Ici, nous proposons et développons un microscope avec trois fonctionnalités différentes basées sur le multiplexage spatial et le fractionnement de polarisation. Une nouvelle métasurface géométrique (MS) est utilisée pour réaliser un profil de phase en spirale et deux profils de gradient de phase le long de deux directions verticales, ce qui peut effectuer une tâche optique extrêmement difficile. C'est la première démonstration d'un microscope 3 en 1 qui peut obtenir simultanément cinq images avec des propriétés optiques différentes dans un plan d'imagerie pour le même échantillon. Des expériences d'imagerie avec différents échantillons vérifient sa capacité à effectuer simultanément l'imagerie de bord, l'imagerie polarimétrique et l'imagerie microscopique conventionnelle. Bénéficiant de la compacité et de la multifonctionnalité du dispositif optique MS, l'intégration n'augmente pas le volume du microscope. Cette approche peut permettre aux utilisateurs de visualiser les multiples facettes des échantillons en temps réel.

Translated Description (Spanish)

La mejora del borde y la detección de polarización son fundamentales para las muestras de imagen transparentes o de bajo contraste. Sin embargo, los sistemas disponibles actualmente se limitan a realizar una sola funcionalidad. Para cumplir con el requisito de integración del sistema, existe una necesidad apremiante de un microscopio con múltiples funcionalidades. Aquí, proponemos y desarrollamos un microscopio con tres funcionalidades diferentes basadas en la multiplexación espacial y la división de la polarización. Se utiliza una nueva metasuperficie geométrica (MS) para realizar un perfil de fase en espiral y dos perfiles de gradiente de fase a lo largo de dos direcciones verticales, que pueden realizar una tarea óptica tan extremadamente desafiante. Esta es la primera demostración de un microscopio 3 en 1 que puede obtener simultáneamente cinco imágenes con diferentes propiedades ópticas en un plano de imagen para la misma muestra. Los experimentos de imagen con diferentes muestras verifican su capacidad para realizar simultáneamente imágenes de borde, imágenes polarimétricas e imágenes de microscopio convencionales. Beneficiándose de la compacidad y multifuncionalidad del dispositivo MS óptico, la integración no aumenta el volumen del microscopio. Este enfoque puede permitir a los usuarios visualizar las múltiples facetas de las muestras en tiempo real.

Files

291450.pdf.pdf

Files (8.4 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b31307c7bce3f543936b093fc0307af5
8.4 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الفحص المجهري 3 في 1 الممكّن على سطح الأرض
Translated title (French)
Microscopie 3-en-1 activée par métasurface
Translated title (Spanish)
Microscopía 3 en 1 con Metasurface

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4318149338
DOI
10.1021/acsphotonics.2c01971

Is supplement to
https://openalex.org/W4386106354 (Other)
https://openalex.org/W2607350649 (Other)
https://openalex.org/W2517391003 (Other)
https://openalex.org/W2385625896 (Other)
https://openalex.org/W2201509369 (Other)
https://openalex.org/W2080823790 (Other)
https://openalex.org/W2044594887 (Other)
https://openalex.org/W2001655186 (Other)
https://openalex.org/W1532628279 (Other)
https://openalex.org/W119975033 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Thailand

References

  • https://openalex.org/W1099798064
  • https://openalex.org/W1630781445
  • https://openalex.org/W1966795171
  • https://openalex.org/W1969384355
  • https://openalex.org/W1984606637
  • https://openalex.org/W1993130663
  • https://openalex.org/W1994520136
  • https://openalex.org/W2000097527
  • https://openalex.org/W2011086418
  • https://openalex.org/W2027027985
  • https://openalex.org/W2031478061
  • https://openalex.org/W2038443758
  • https://openalex.org/W2052488610
  • https://openalex.org/W2055129569
  • https://openalex.org/W2062830522
  • https://openalex.org/W2077151136
  • https://openalex.org/W2089762744
  • https://openalex.org/W2127388200
  • https://openalex.org/W2161803000
  • https://openalex.org/W2179273437
  • https://openalex.org/W2245649859
  • https://openalex.org/W2283172883
  • https://openalex.org/W2415475836
  • https://openalex.org/W2515479878
  • https://openalex.org/W2770251499
  • https://openalex.org/W2790915754
  • https://openalex.org/W2892479404
  • https://openalex.org/W2911151360
  • https://openalex.org/W2945576467
  • https://openalex.org/W2964155064
  • https://openalex.org/W2967929127
  • https://openalex.org/W2972113946
  • https://openalex.org/W2994946335
  • https://openalex.org/W2999976787
  • https://openalex.org/W3011632837
  • https://openalex.org/W3038092095
  • https://openalex.org/W3083248600
  • https://openalex.org/W3103793404
  • https://openalex.org/W3130085202
  • https://openalex.org/W4220979786