基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術

王瓊華 袁榮英 劉超

(北京航空航天大學 儀器科學與光電工程學院, 北京 100083)

顯微鏡是當今社會不可或缺的重要精密儀器,在醫學診療、科學研究、地質考古、微納制造等方面發揮著重要作用。

光學倍率一直是顯微鏡的重要指標,決定了實際的觀察視場和光學分辨率。 傳統的顯微物鏡具有固定的離散倍率,通過更換鏡頭來實現倍率的切換,這帶來的是一系列專業且復雜的操作,并且更換鏡頭后需要重新對焦,不利于對動態樣本的實時觀察。 同時,傳統顯微物鏡也無法實現將細節連續地放大或縮小,僅能進行有限的數碼變倍,犧牲了光學分辨率。 顯微鏡連續光學變焦的解決方案之一是改變系統透鏡之間的距離[1-5],通過外部裝置驅動的機械或光學補償來達到像面的穩定。 然而,這種方式的補償系統體積龐大,并且由于機械運動,樣品振動仍然是一個問題。 另外,變焦速度慢也影響了樣本的實時觀察。

另外,基于顯微成像的特點,大多數顯微鏡的景深很小,只能觀測切片式樣本。 但切片式樣本在制作時會破壞樣本的形貌,且不能觀測樣本的深度信息,從而不能還原樣本真實形態。 傳統的顯微鏡可以通過軸向掃描的方式來實現擴展景深[6-11]。 一種方式是通過折射率差的透鏡來實現,另一種方式是通過機械移動鏡頭或載物臺來軸向掃描,這會存在機械抖動和響應時間慢等缺點。

液體透鏡是指由液體填充所形成的具有透鏡功能的光學器件[12],可以解決以上2 個傳統顯微鏡面臨的技術難題。 按驅動原理可將液體透鏡籠統地分為電潤濕液體透鏡、介電泳液體透鏡和彈力膜液體透鏡。 其中,電潤濕液體透鏡具有較大的有效孔徑、光滑的表面形狀和更低的重力效應,因此被認為更適用于顯微成像系統。 基于電潤濕液體透鏡的顯微成像系統不僅可以實現連續的光學變焦,還可以實現無機械輔助的軸向掃描,大大推動了顯微成像技術的發展。

本文先介紹了電潤濕液體透鏡,再詳細論述了電潤濕液體透鏡在顯微成像系統中連續光學變焦和軸向掃描的應用,最后討論了基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術的機遇和尚待解決的難題。

1 電潤濕液體透鏡

電潤濕液體透鏡是利用電潤濕效應原理,通過外加電壓改變液體界面的接觸角,使得液面曲率發生變化,從而實現透鏡焦距的改變。 電潤濕液體透鏡的組成包含2 種或2 種以上的互不相溶、密度匹配和具有折射率差的透明液體。 其中一種是導電液體,一般為有機鹽溶液;另一種為非導電液體,一般為硅油等有機高分子溶液。

電潤濕液體透鏡最早是在2000 年由法國物理光譜實驗室的Berge 和Peseux 提出[13],他們利用電毛細作用改變透明液滴的接觸角,實現了電潤濕液體透鏡,該透鏡的光焦度變化是人眼的5 ～10倍,響應時間為0. 03 s,功耗為毫瓦量級。隨后,荷蘭的Kuiper 和Hendriks[14]在此基礎上提出了最典型的圓柱形電潤濕液體透鏡,并在照相系統中使用,其結構和原理如圖1(a)所示。 該電潤濕液體透鏡主體部分包含2 種液體,其中導電液體采用高濃度的氯化鋰鹽溶液, 密度為1.12 g/cm3,折射率為1.38;另一種非導電液體采用溶解了少量四溴化碳的甲基苯基環三硅氧烷溶液,折射率為1.55。 為了增加電潤濕液體透鏡的穩定性和初始接觸角,圓柱結構內壁鍍有介電層和疏水層。 在初始狀態時,由于液體與側壁界面張力的作用,液-液界面為凸型,如圖1(a)所示,透鏡表現為負透鏡,光線通過透鏡后發散。 外加電壓后,接觸角隨電壓而改變,透鏡焦距隨之變化,最終可以表現為正透鏡,光線通過透鏡后會聚,如圖1(b)所示。 圖1(c)展示了圓柱形電潤濕液體透鏡的實物及工作狀態。 圓柱形的結構不僅增大了電潤濕液體透鏡的有效孔徑,還實現了正負焦距的變化,增大了變焦范圍。

圖1 圓柱形電潤濕液體透鏡[14]Fig.1 Cylindrical electrowetting liquid lens[14]

2017 年,德國的Zappe 等[15]提出了一種雙層液-液界面的電潤濕液體透鏡,通過在不同位置設計不同高度的電極結構,實現多層導電液體的曲率操控,進一步擴大了電潤濕液體透鏡的焦距變化范圍。 2021 年,該團隊又通過優化液體特性、利用液體黏度和表面張力之間的相互作用提升了電潤濕液體透鏡的響應速度[16]。

電潤濕液體透鏡已經實現了商業化,并可以應用到多種光學系統中[17]。 2018 年,美國康寧公司開發了一系列經驗模型來預測電潤濕液體透鏡的液-液兩相的多個物理和化學性質[18],研制了高折射率差的電潤濕液透鏡的液體配方,獲得了用于電潤濕透鏡的2 種液體的最佳匹配范圍,進一步指導了電潤濕液體透鏡的商業發展。

國內, 清華大學岳瑞峰教授團隊[19]在2012 年提出了一種由涂有導電氧化銦錫(ITO)膜、疏水電介質膜的載玻片、中空錐形金屬環和液體組成的電潤濕液體透鏡,該透鏡通過改變施加在金屬環和ITO 控制電極上的電壓,可逆地調整液體彎月面的位置和曲率,從而調整透鏡的焦距,該電潤濕液體透鏡的最短焦距可以達到2.5 cm。2020 年,天津大學的張紅霞等[20]計算了不同孔徑的電潤濕液體透鏡的液-液界面面型,分析了不同電壓下電潤濕液體透鏡的焦距范圍、波前像差和孔徑之間的關系,提出了一種三層液體的電潤濕液體透鏡,提高了電潤濕液體透鏡的數值孔徑,其均方根波前像差誤差小于四分之一波長。

筆者團隊一直致力于電潤濕液體透鏡的研究。 2015 年,筆者團隊提出了具有多重環形反射面的電潤濕液體透鏡[21],其結構如圖2(a)所示。在外加電壓后,液-液界面曲率的調節結合內部多重環形反射結構可有效提升透鏡的光焦度變化量,如圖2(b)所示。 圖2(c)展示了多重環形反射面的電潤濕液體透鏡的實物,該液體透鏡具有結構緊湊、變焦范圍大的優點。 2019 年,筆者團隊又結合電潤濕液體透鏡的可調焦性質并輔助非球面透鏡,提出了一種集成非球面的電潤濕液體透鏡[22],如圖3(a)所示。 隨著外加電壓的變化,液體界面曲率發生改變,電潤濕液體透鏡的焦距隨之改變,同時,當光通過非球面時,由于界面折射率不同,光可以被精確地聚集以消除球差和畸變。 圖3(b)、(c)展示了該集成非球面的電潤濕液體透鏡的實物及施加不同電壓時該透鏡的成像結果,該透鏡在一定調焦范圍內同時消除部分像差,提高了電潤濕液體透鏡成像質量。

圖2 多重環形反射面的電潤濕液體透鏡[21]Fig.2 Electrowetting liquid lens with multiple annular reflective surfaces[21]

圖3 集成非球面的電潤濕液體透鏡[22]Fig.3 Electrowetting liquid lens integrated with aspherical surface[22]

筆者團隊對電潤濕液體透鏡的結構進行了優化設計,并對其液體材料進行了研究,提出了一種基于無水有機溶液的球形電潤濕液體透鏡[23],其結構如圖4(a)所示。 透鏡的腔體為球形,可以擴大接觸角范圍,從而進一步擴大透鏡的焦距變化范圍。 透鏡實物和成像結果如圖4(b)、(c)所示,其中導電液體為有機鹽醇溶液, 密度為1.048 g/cm3,折射率為1.438 7,非導電液體為芳香鹵代烴和汽油分段烷烴的混合溶液,密度為1.048 g/cm3,折射率為1.490 1。 無水有機溶液可以避免加電壓后的水解現象,即使電潤濕液體透鏡的介電層失效,該透鏡仍能繼續使用,這將大大增加電潤濕液體透鏡的穩定性,延長使用壽命。

圖4 基于無水有機溶液的球形電潤濕液體透鏡[23]Fig.4 Spherical electrowetting liquid lens with non-aqueous organic solution[23]

2 電潤濕液體透鏡在顯微成像中的應用

研究表明,由于電潤濕液體透鏡的機理限制,電潤濕液體透鏡的口徑較小,在小口徑的成像系統中更具有優勢,顯微鏡屬于典型的小口徑成像系統,電潤濕液體透鏡已經廣泛應用于各種顯微成像系統中。 根據電潤濕液體透鏡在顯微成像系統中的功能,本文將基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術大致分為2 類:連續光學變焦和軸向掃描。

2.1 連續光學變焦

電潤濕液體透鏡最大的優勢在于具有自適應變焦功能,因此,基于電潤濕液體透鏡的顯微鏡可以實現無機械移動的連續光學變焦,打破了傳統顯微鏡離散變焦的局限。

2016 年,筆者團隊首次研制出了基于電潤濕液體透鏡的連續光學變焦顯微鏡樣機[24],如圖5(a)所示。 該樣機主要由顯微物鏡、環形光源、鏡筒和CCD 組成。 其中,顯微物鏡由3 個電潤濕液體透鏡和2 個固體透鏡組成,如圖5(b)所示。 通過外加電壓控制電潤濕液體透鏡的焦距,在無任何機械移動的情況之下,該顯微鏡可以實現7.8 ～13.2 倍的連續光學變焦,其倍率切換時間約為50 ms。此外,在變焦的過程中,通過3 個電潤濕液體透鏡的配合還可以實時校正成像的像差,提高顯微鏡的成像分辨率,成像結果如圖5(c)所示。

圖5 基于電潤濕液體透鏡的連續光學變焦顯微鏡[24]Fig.5 Continuous optical zoom microscope with electrowetting liquid lens[24]

近期,筆者團隊通過優化設計進一步提升了基于電潤濕液體透鏡的連續光學變焦顯微成像技術[25],提高了成像的分辨率,增大了變焦范圍。 其中,顯微鏡的物鏡由4 個電潤濕液體透鏡和6 個固體透鏡組成,如圖6(a)所示。 固體透鏡承擔了系統大部分的光焦度,再通過協調施加在4 個液體透鏡上的驅動電壓,可以實現從9.6 倍到22.2 倍連續光學變焦。 計算并驗證了電潤濕液體透鏡的曲率半徑和系統放大倍率的關系,結果如圖6(b)所示。 本文研制了該顯微物鏡樣機并測試了其成像結果,如圖6(c)、(d)所示,結果表明,該顯微物鏡在變焦過程中可以保持200 lp/mm 的高分辨率(lp/mm 指線對每毫米,是鏡頭分辨率計算單位)。

圖6 高分辨率的連續光學變焦顯微物鏡[25]Fig.6 Microscopic objective of high resolution continuous optical zoom[25]

為了進一步擴大連續光學變焦顯微鏡的變焦范圍,筆者團隊研制了一種由變焦物鏡和變焦目鏡組成的大變焦范圍的連續光學變焦顯微鏡[26],將顯微鏡的變焦范圍提升到了59.1 ～159.2 倍。該顯微鏡的系統組成和原理如圖7(a)所示,其中,變焦物鏡由3 個固體透鏡和4 個電潤濕液體透鏡組成,變焦目鏡由消色差目鏡和1 個電潤濕液體透鏡組成。 外加電壓改變目鏡和物鏡中電潤濕液體透鏡的焦距時,物鏡和目鏡的焦距及兩者之間的像面隨之變化,這在很大程度上增大了焦距的調節范圍。 本文研制的顯微鏡如圖7(b)所示,其成像結果如圖7(c)所示,該顯微鏡的最大數值孔徑為0.212,在變焦過程中具有良好的成像質量。

圖7 大變焦范圍的連續光學變焦顯微鏡[26]Fig.7 Continuous optical zoom microscope with large zoom range[26]

2.2 軸向掃描

顯微鏡軸向掃描是實現大景深顯微的關鍵技術,該技術不僅能夠提升成像面的深度范圍,還可以通過層析掃描獲取樣本的深度信息和3D 重建,大大推動了顯微成像技術及相關行業的研究進展。 電潤濕液體透鏡可以自適應調焦,是實現軸向掃描最佳的方式之一。

美國中佛羅里達大學的Murali 等[27]基于電潤濕液體透鏡設計了一種高分辨率三維掃描顯微系統,該顯微系統具有自適應調焦功能,不僅可以無機械運動實現快速聚焦,還可以對重新聚焦產生的光學像差進行補償。 該顯微鏡的分辨率達到250 lp/mm,成像深度為2 mm,可應用于生物醫學成像、干涉測量及3D 成像等。 隨后,該團隊又提出了基于電潤濕液體透鏡的具有像差補償動態重聚焦的光學相干顯微鏡[28],通過實驗對顯微鏡的聚焦深度進行了量化表征,應用該顯微鏡獲得了橫向2 mm、縱向0.8 mm、8 個不同聚焦位置的一系列體內清晰的橫斷面圖像。

美國喬治亞大學的Tehrani 等[29]使用電潤濕液體透鏡在多光子顯微鏡中進行遠程聚焦掃描,該方法可以應用于多個活體標本的成像和測量,實現了活體動態活動的五維雙光子體積顯微成像。

華南師范大學的Yang 等[30]基于電潤濕液體透鏡提出了一個快速可控的共聚焦光聲顯微系統,以實現不同深度表面不規則或多層結構標本的整體切片成像。 該共聚焦光聲顯微系統的物鏡主要由電潤濕液體透鏡和聚偏二氟乙烯傳感器組成,通過電潤濕液體透鏡的自適應變焦,物鏡可以調整共聚焦光聲顯微系統的焦距,實現了約6 ～43 mm的共聚焦掃描范圍,且具有較高的橫向分辨率和較短的聚焦時間。

筆者團隊提出了一種雙液-液曲面的電潤濕液體透鏡[31],并將其用于顯微成像系統中,實現了在無機械移動的情況下任意倍率的顯微物鏡都可以進行軸向掃描,且保持放大倍率不變。 該顯微系統的組成結構及雙液-液曲面的電潤濕液體透鏡如圖8(a)所示,通過外加電壓調整液面曲率,可以實現對樣本的軸向掃描。 顯微系統的掃描成像結果如圖8(b)、(c)所示。 實驗表明,該系統對深度1 mm 的樣本每一個層面均能清晰成像。

圖8 基于雙液-液曲面電潤濕液體透鏡的軸向掃描顯微系統Fig.8 Axial scanning microscopic system using electrowetting liquid lens with two liquid-liquid curved interfaces

3 結束語

電潤濕液體透鏡是近年來光學成像領域冉冉升起的新星,具有靈活的透鏡界面,被認為是下一代微型光學透鏡。 基于電潤濕液體透鏡的顯微成像系統可以快速連續光學變焦來實時觀測樣本,且能實現活體樣本的3D 觀測,解決了部分顯微成像系統存在的技術瓶頸,一定程度上推動了顯微成像技術的發展。 本文介紹了電潤濕液體透鏡的發展,綜述了基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術的國內外研究現狀,并討論了基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術的機遇和挑戰。

顯微系統的軸向掃描僅僅需要一片電潤濕液體透鏡就能實現,可以與任意的現有顯微鏡結合,是電潤濕液體透鏡在顯微成像系統應用中相對比較簡單和成熟的技術手段。 基于電潤濕液體透鏡實現顯微鏡的連續光學變焦被認為是電潤濕液體透鏡在顯微成像系統應用中最有前景同時又是最有挑戰的研究,這將打破顯微鏡離散變焦的傳統局限,同時大大減小顯微鏡的尺寸,給顯微鏡的發展帶來新的發展契機。

然而,電潤濕液體透鏡依然存在一些科學問題亟待解決,基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術仍存在一些挑戰。

從電潤濕液體透鏡方面來看,其在顯微系統中的使用目前還存在以下3 個技術難題需要去解決:

1) 電潤濕液體透鏡達到最大/最小焦距所需的驅動電壓約為60 V,需要單獨的驅動器來控制變焦,不利于顯微系統的集成化。

2) 電潤濕液體透鏡由2 種液體組成,液體的折射率、阿貝數會影響透鏡的光焦度、成像質量。目前的電潤濕液體透鏡光焦度和成像質量還有待提高。

3) 電潤濕液體透鏡的孔徑依然有限,目前商業化的最大口徑僅為5.8 mm,這也限制了顯微鏡獲得更大的分辨率。

從顯微成像系統方面來看,基于電潤濕液體透鏡的顯微技術還存在以下2 個挑戰:

1) 電潤濕液體透鏡的變焦范圍較小,導致顯微系統的變焦比有限。 為了獲得更大的變焦范圍,可以使用更多的電潤濕液體透鏡,而目前電潤濕液體透鏡孔徑較小,增加透鏡數量會導致顯微成像系統的分辨率和亮度下降,這與顯微鏡的高分辨要求相矛盾,如何在保持較高的成像質量的前提下增大變焦范圍是基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術面臨的最大挑戰。

2) 盡管電潤濕液體透鏡的尺寸較小,但其驅動尺寸相對較大。 如何將電潤濕液體透鏡的驅動與顯微成像系統集成,使基于電潤濕液體透鏡的顯微鏡微型化、便攜化,這是研究者們面臨的另一個挑戰。