基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術(shù)

王瓊?cè)A 袁榮英 劉超

(北京航空航天大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院, 北京 100083)

顯微鏡是當(dāng)今社會不可或缺的重要精密儀器,在醫(yī)學(xué)診療、科學(xué)研究、地質(zhì)考古、微納制造等方面發(fā)揮著重要作用。

光學(xué)倍率一直是顯微鏡的重要指標(biāo),決定了實際的觀察視場和光學(xué)分辨率。 傳統(tǒng)的顯微物鏡具有固定的離散倍率,通過更換鏡頭來實現(xiàn)倍率的切換,這帶來的是一系列專業(yè)且復(fù)雜的操作,并且更換鏡頭后需要重新對焦,不利于對動態(tài)樣本的實時觀察。 同時,傳統(tǒng)顯微物鏡也無法實現(xiàn)將細(xì)節(jié)連續(xù)地放大或縮小,僅能進(jìn)行有限的數(shù)碼變倍,犧牲了光學(xué)分辨率。 顯微鏡連續(xù)光學(xué)變焦的解決方案之一是改變系統(tǒng)透鏡之間的距離[1-5],通過外部裝置驅(qū)動的機械或光學(xué)補償來達(dá)到像面的穩(wěn)定。 然而,這種方式的補償系統(tǒng)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(shù)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(tài)。 傳統(tǒng)的顯微鏡可以通過軸向掃描的方式來實現(xiàn)擴(kuò)展景深[6-11]。 一種方式是通過折射率差的透鏡來實現(xiàn),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(yīng)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(xué)器件[12],可以解決以上2 個傳統(tǒng)顯微鏡面臨的技術(shù)難題。 按驅(qū)動原理可將液體透鏡籠統(tǒng)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(yīng),因此被認(rèn)為更適用于顯微成像系統(tǒng)。 基于電潤濕液體透鏡的顯微成像系統(tǒng)不僅可以實現(xiàn)連續(xù)的光學(xué)變焦,還可以實現(xiàn)無機械輔助的軸向掃描,大大推動了顯微成像技術(shù)的發(fā)展。

本文先介紹了電潤濕液體透鏡,再詳細(xì)論述了電潤濕液體透鏡在顯微成像系統(tǒng)中連續(xù)光學(xué)變焦和軸向掃描的應(yīng)用,最后討論了基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術(shù)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(yīng)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(fā)生變化,從而實現(xiàn)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(dǎo)電液體,一般為有機鹽溶液;另一種為非導(dǎo)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(xì)作用改變透明液滴的接觸角,實現(xiàn)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(yīng)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(chǔ)上提出了最典型的圓柱形電潤濕液體透鏡,并在照相系統(tǒng)中使用,其結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)電液體采用溶解了少量四溴化碳的甲基苯基環(huán)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(wěn)定性和初始接觸角,圓柱結(jié)構(gòu)內(nèi)壁鍍有介電層和疏水層。 在初始狀態(tài)時,由于液體與側(cè)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(xiàn)為負(fù)透鏡,光線通過透鏡后發(fā)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(xiàn)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(tài)。 圓柱形的結(jié)構(gòu)不僅增大了電潤濕液體透鏡的有效孔徑,還實現(xiàn)了正負(fù)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(shè)計不同高度的電極結(jié)構(gòu),實現(xiàn)多層導(dǎo)電液體的曲率操控,進(jìn)一步擴(kuò)大了電潤濕液體透鏡的焦距變化范圍。 2021 年,該團(tuán)隊又通過優(yōu)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(yīng)速度[16]。

電潤濕液體透鏡已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化,并可以應(yīng)用到多種光學(xué)系統(tǒng)中[17]。 2018 年,美國康寧公司開發(fā)了一系列經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛠眍A(yù)測電潤濕液體透鏡的液-液兩相的多個物理和化學(xué)性質(zhì)[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(jìn)一步指導(dǎo)了電潤濕液體透鏡的商業(yè)發(fā)展。

國內(nèi), 清華大學(xué)岳瑞峰教授團(tuán)隊[19]在2012 年提出了一種由涂有導(dǎo)電氧化銦錫(ITO)膜、疏水電介質(zhì)膜的載玻片、中空錐形金屬環(huán)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(huán)和ITO 控制電極上的電壓,可逆地調(diào)整液體彎月面的位置和曲率,從而調(diào)整透鏡的焦距,該電潤濕液體透鏡的最短焦距可以達(dá)到2.5 cm。2020 年,天津大學(xué)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(guān)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(shù)值孔徑,其均方根波前像差誤差小于四分之一波長。

筆者團(tuán)隊一直致力于電潤濕液體透鏡的研究。 2015 年,筆者團(tuán)隊提出了具有多重環(huán)形反射面的電潤濕液體透鏡[21],其結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示。在外加電壓后,液-液界面曲率的調(diào)節(jié)結(jié)合內(nèi)部多重環(huán)形反射結(jié)構(gòu)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(huán)形反射面的電潤濕液體透鏡的實物,該液體透鏡具有結(jié)構(gòu)緊湊、變焦范圍大的優(yōu)點。 2019 年,筆者團(tuán)隊又結(jié)合電潤濕液體透鏡的可調(diào)焦性質(zhì)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(fā)生改變,電潤濕液體透鏡的焦距隨之改變,同時,當(dāng)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(jié)果,該透鏡在一定調(diào)焦范圍內(nèi)同時消除部分像差,提高了電潤濕液體透鏡成像質(zhì)量。

圖2 多重環(huán)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(tuán)隊對電潤濕液體透鏡的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計,并對其液體材料進(jìn)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(jié)構(gòu)如圖4(a)所示。 透鏡的腔體為球形,可以擴(kuò)大接觸角范圍,從而進(jìn)一步擴(kuò)大透鏡的焦距變化范圍。 透鏡實物和成像結(jié)果如圖4(b)、(c)所示,其中導(dǎo)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(dǎo)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(xiàn)象,即使電潤濕液體透鏡的介電層失效,該透鏡仍能繼續(xù)使用,這將大大增加電潤濕液體透鏡的穩(wěn)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(yīng)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(tǒng)中更具有優(yōu)勢,顯微鏡屬于典型的小口徑成像系統(tǒng),電潤濕液體透鏡已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種顯微成像系統(tǒng)中。 根據(jù)電潤濕液體透鏡在顯微成像系統(tǒng)中的功能,本文將基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術(shù)大致分為2 類:連續(xù)光學(xué)變焦和軸向掃描。

2.1 連續(xù)光學(xué)變焦

電潤濕液體透鏡最大的優(yōu)勢在于具有自適應(yīng)變焦功能,因此,基于電潤濕液體透鏡的顯微鏡可以實現(xiàn)無機械移動的連續(xù)光學(xué)變焦,打破了傳統(tǒng)顯微鏡離散變焦的局限。

2016 年,筆者團(tuán)隊首次研制出了基于電潤濕液體透鏡的連續(xù)光學(xué)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(huán)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(xiàn)7.8 ～13.2 倍的連續(xù)光學(xué)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(jié)果如圖5(c)所示。

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

近期,筆者團(tuán)隊通過優(yōu)化設(shè)計進(jìn)一步提升了基于電潤濕液體透鏡的連續(xù)光學(xué)變焦顯微成像技術(shù)[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(dān)了系統(tǒng)大部分的光焦度,再通過協(xié)調(diào)施加在4 個液體透鏡上的驅(qū)動電壓,可以實現(xiàn)從9.6 倍到22.2 倍連續(xù)光學(xué)變焦。 計算并驗證了電潤濕液體透鏡的曲率半徑和系統(tǒng)放大倍率的關(guān)系,結(jié)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(jié)果,如圖6(c)、(d)所示,結(jié)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(xù)光學(xué)變焦顯微物鏡[25]Fig.6 Microscopic objective of high resolution continuous optical zoom[25]

為了進(jìn)一步擴(kuò)大連續(xù)光學(xué)變焦顯微鏡的變焦范圍,筆者團(tuán)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(xù)光學(xué)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(tǒng)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(diào)節(jié)范圍。 本文研制的顯微鏡如圖7(b)所示,其成像結(jié)果如圖7(c)所示,該顯微鏡的最大數(shù)值孔徑為0.212,在變焦過程中具有良好的成像質(zhì)量。

圖7 大變焦范圍的連續(xù)光學(xué)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(xiàn)大景深顯微的關(guān)鍵技術(shù),該技術(shù)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(shù)及相關(guān)行業(yè)的研究進(jìn)展。 電潤濕液體透鏡可以自適應(yīng)調(diào)焦,是實現(xiàn)軸向掃描最佳的方式之一。

美國中佛羅里達(dá)大學(xué)的Murali 等[27]基于電潤濕液體透鏡設(shè)計了一種高分辨率三維掃描顯微系統(tǒng),該顯微系統(tǒng)具有自適應(yīng)調(diào)焦功能,不僅可以無機械運動實現(xiàn)快速聚焦,還可以對重新聚焦產(chǎn)生的光學(xué)像差進(jìn)行補償。 該顯微鏡的分辨率達(dá)到250 lp/mm,成像深度為2 mm,可應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)成像、干涉測量及3D 成像等。 隨后,該團(tuán)隊又提出了基于電潤濕液體透鏡的具有像差補償動態(tài)重聚焦的光學(xué)相干顯微鏡[28],通過實驗對顯微鏡的聚焦深度進(jìn)行了量化表征,應(yīng)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(nèi)清晰的橫斷面圖像。

美國喬治亞大學(xué)的Tehrani 等[29]使用電潤濕液體透鏡在多光子顯微鏡中進(jìn)行遠(yuǎn)程聚焦掃描,該方法可以應(yīng)用于多個活體標(biāo)本的成像和測量,實現(xiàn)了活體動態(tài)活動的五維雙光子體積顯微成像。

華南師范大學(xué)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(tǒng),以實現(xiàn)不同深度表面不規(guī)則或多層結(jié)構(gòu)標(biāo)本的整體切片成像。 該共聚焦光聲顯微系統(tǒng)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(yīng)變焦,物鏡可以調(diào)整共聚焦光聲顯微系統(tǒng)的焦距,實現(xiàn)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(tuán)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(tǒng)中,實現(xiàn)了在無機械移動的情況下任意倍率的顯微物鏡都可以進(jìn)行軸向掃描,且保持放大倍率不變。 該顯微系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)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(diào)整液面曲率,可以實現(xiàn)對樣本的軸向掃描。 顯微系統(tǒng)的掃描成像結(jié)果如圖8(b)、(c)所示。 實驗表明,該系統(tǒng)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(tǒng)Fig.8 Axial scanning microscopic system using electrowetting liquid lens with two liquid-liquid curved interfaces

3 結(jié)束語

電潤濕液體透鏡是近年來光學(xué)成像領(lǐng)域冉冉升起的新星,具有靈活的透鏡界面,被認(rèn)為是下一代微型光學(xué)透鏡。 基于電潤濕液體透鏡的顯微成像系統(tǒng)可以快速連續(xù)光學(xué)變焦來實時觀測樣本,且能實現(xiàn)活體樣本的3D 觀測,解決了部分顯微成像系統(tǒng)存在的技術(shù)瓶頸,一定程度上推動了顯微成像技術(shù)的發(fā)展。 本文介紹了電潤濕液體透鏡的發(fā)展,綜述了基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,并討論了基于電潤濕液體透鏡的顯微成像技術(shù)的機遇和挑戰(zhàn)。

顯微系統(tǒng)的軸向掃描僅僅需要一片電潤濕液體透鏡就能實現(xiàn),可以與任意的現(xiàn)有顯微鏡結(jié)合,是電潤濕液體透鏡在顯微成像系統(tǒng)應(yīng)用中相對比較簡單和成熟的技術(shù)手段。 基于電潤濕液體透鏡實現(xiàn)顯微鏡的連續(xù)光學(xué)變焦被認(rèn)為是電潤濕液體透鏡在顯微成像系統(tǒng)應(yīng)用中最有前景同時又是最有挑戰(zhàn)的研究,這將打破顯微鏡離散變焦的傳統(tǒng)局限,同時大大減小顯微鏡的尺寸,給顯微鏡的發(fā)展帶來新的發(fā)展契機。

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

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

1) 電潤濕液體透鏡達(dá)到最大/最小焦距所需的驅(qū)動電壓約為60 V,需要單獨的驅(qū)動器來控制變焦,不利于顯微系統(tǒng)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(shù)會影響透鏡的光焦度、成像質(zhì)量。目前的電潤濕液體透鏡光焦度和成像質(zhì)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(yè)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(tǒng)方面來看,基于電潤濕液體透鏡的顯微技術(shù)還存在以下2 個挑戰(zhàn):

1) 電潤濕液體透鏡的變焦范圍較小,導(dǎo)致顯微系統(tǒng)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(shù)量會導(dǎo)致顯微成像系統(tǒng)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(zhì)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(shù)面臨的最大挑戰(zhàn)。

2) 盡管電潤濕液體透鏡的尺寸較小,但其驅(qū)動尺寸相對較大。 如何將電潤濕液體透鏡的驅(qū)動與顯微成像系統(tǒng)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(zhàn)。