小小分影镜点亮大视野，张昊团队突破介观结构光投影极限
想同时“看得广”又“看得清”？这就像用手机拍集体照，既想把所有人都框进来，又希望每个人的脸都清晰可见。在尖端科研与工业领域，这个挑战更为严峻。
近日，我校工学部助理教授张昊团队与合作者在国际顶尖光学期刊《Optica》发表最新研究论文，题为“Pyramidal lens enables mesoscale structured illumination by surpassing the spatial bandwidth limit of spatial light modulators”。
受摄影分影镜头启发，团队独创性地设计出一种六棱锥透镜（Pyramidal lens），仅需小尺寸投影芯片即可生成并调控介观尺度结构光照明，将芯片等效像素提升百倍以上，为高通量超分辨成像与大尺寸三维测量提供了全新解决方案。
该棱锥透镜结构简单、易于加工、成本低廉，有望在光学成像、机器视觉及工业检测等领域广泛使用。
鱼与熊掌：大视野与高清晰的矛盾
结构光照明（Structured Illumination）是三维精密测量与超分辨显微成像领域的关键技术之一。其原理是将明暗相间的正弦条纹投射至样品表面，通过解调算法实现超衍射极限分辨率或三维形貌重建。
但这里有一个棘手的矛盾：要同时实现高分辨率和大视场，要求生成精细且大面积投射条纹，对投影芯片的像素数就提出了极高要求。当前主流投影芯片的像素规模普遍在百万级，面对前沿科研与高端工业应用时远远不足——"看得广"就难以"看得清"，二者难以兼得。
灵感乍现：从万花筒到分影镜
灵感，有时就藏在最寻常的玩具和工具里。万花筒中，三片镜子的巧妙反射，便能让一幅简单图案幻化成绚烂对称的花海；单反镜头前旋入一片分影镜，就能让城市灯火绽放成梦幻星河。
这些现象启示了研究团队：能否通过精妙的反射或折射元件调控光路，四两拨千斤，创造出远超光源能力的复杂光场？
图1: 摄影分影镜头和定制加工的六棱锥透镜实物图；以及棱锥透镜通过折射±1级衍射光束生成更大视场精细条纹的原理展示。
以简驭繁：一块玻璃的魔力
受此启发，研究人员创新地把一块玻璃加工成六棱锥形状，将其置于微型投影芯片之后，可精确调控投影芯片发出的±1级衍射光束，将其偏折至更大的角度。角度越大，两束光干涉形成的条纹周期越小——即条纹更细、更密。
就这样，一枚小小的棱锥透镜，让原本只能生成数百条纹的投影芯片，借助棱锥透镜的"放大"效应就能生成成千上万条精细条纹，等效像素提升百倍以上，实现介观尺度结构光照明生成。
更进一步，六棱锥设计可以借助投影芯片精确操控条纹的方向和相位，实现灵活调控。实验视频清晰展示了：仅通过简单插入棱锥透镜，结构光照明的视场显著扩大，条纹密度大幅提升。
研究团队将这套"棱锥透镜+投影芯片"方案集成至结构光照明超分辨显微系统，新型超分辨显微镜——PyramidalSIM。
它仅用投影芯片的600多个像素，就实现了传统方法需要上万投影像素才能实现的4K像素超分辨成像；同时实现两倍分辨率成像，从宽场显微镜的280nm 提升到138nm。这项技术以极简的光学元件，实现了对复杂光场的高效调控，真正做到了"以简驭繁"。无需昂贵的高像素投影芯片，仅需增加一枚成本低廉的玻璃棱锥透镜，即可同时实现大场景和高清晰。
图2 – 基于棱锥透镜的结构光照明超分辨成像原理图和成像结果；以及在B区实验室搭建的PyramidalSIM超分辨显微镜
宁波东方理工大学为本文的第一单位，助理教授张昊为论文通讯作者，宁波东方理工大学访问学者、昆明医科大学副研究员文刚和香港城市大学博士生李虹瑾为论文共同第一作者。其他合作者包括香港中文大学教授陈世祈、宁波东方理工大学讲席教授金大勇院士等。
