基于电润湿液体透镜的显微成像技术

王琼华 袁荣英 刘超

(北京航空航天大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100083)

显微镜是当今社会不可或缺的重要精密仪器,在医学诊疗、科学研究、地质考古、微纳制造等方面发挥着重要作用。

光学倍率一直是显微镜的重要指标,决定了实际的观察视场和光学分辨率。 传统的显微物镜具有固定的离散倍率,通过更换镜头来实现倍率的切换,这带来的是一系列专业且复杂的操作,并且更换镜头后需要重新对焦,不利于对动态样本的实时观察。 同时,传统显微物镜也无法实现将细节连续地放大或缩小,仅能进行有限的数码变倍,牺牲了光学分辨率。 显微镜连续光学变焦的解决方案之一是改变系统透镜之间的距离[1-5],通过外部装置驱动的机械或光学补偿来达到像面的稳定。 然而,这种方式的补偿系统体积庞大,并且由于机械运动,样品振动仍然是一个问题。 另外,变焦速度慢也影响了样本的实时观察。

另外,基于显微成像的特点,大多数显微镜的景深很小,只能观测切片式样本。 但切片式样本在制作时会破坏样本的形貌,且不能观测样本的深度信息,从而不能还原样本真实形态。 传统的显微镜可以通过轴向扫描的方式来实现扩展景深[6-11]。 一种方式是通过折射率差的透镜来实现,另一种方式是通过机械移动镜头或载物台来轴向扫描,这会存在机械抖动和响应时间慢等缺点。

液体透镜是指由液体填充所形成的具有透镜功能的光学器件[12],可以解决以上2 个传统显微镜面临的技术难题。 按驱动原理可将液体透镜笼统地分为电润湿液体透镜、介电泳液体透镜和弹力膜液体透镜。 其中,电润湿液体透镜具有较大的有效孔径、光滑的表面形状和更低的重力效应,因此被认为更适用于显微成像系统。 基于电润湿液体透镜的显微成像系统不仅可以实现连续的光学变焦,还可以实现无机械辅助的轴向扫描,大大推动了显微成像技术的发展。

本文先介绍了电润湿液体透镜,再详细论述了电润湿液体透镜在显微成像系统中连续光学变焦和轴向扫描的应用,最后讨论了基于电润湿液体透镜的显微成像技术的机遇和尚待解决的难题。

1 电润湿液体透镜

电润湿液体透镜是利用电润湿效应原理,通过外加电压改变液体界面的接触角,使得液面曲率发生变化,从而实现透镜焦距的改变。 电润湿液体透镜的组成包含2 种或2 种以上的互不相溶、密度匹配和具有折射率差的透明液体。 其中一种是导电液体,一般为有机盐溶液;另一种为非导电液体,一般为硅油等有机高分子溶液。

电润湿液体透镜最早是在2000 年由法国物理光谱实验室的Berge 和Peseux 提出[13],他们利用电毛细作用改变透明液滴的接触角,实现了电润湿液体透镜,该透镜的光焦度变化是人眼的5 ～10倍,响应时间为0. 03 s,功耗为毫瓦量级。随后,荷兰的Kuiper 和Hendriks[14]在此基础上提出了最典型的圆柱形电润湿液体透镜,并在照相系统中使用,其结构和原理如图1(a)所示。 该电润湿液体透镜主体部分包含2 种液体,其中导电液体采用高浓度的氯化锂盐溶液, 密度为1.12 g/cm3,折射率为1.38;另一种非导电液体采用溶解了少量四溴化碳的甲基苯基环三硅氧烷溶液,折射率为1.55。 为了增加电润湿液体透镜的稳定性和初始接触角,圆柱结构内壁镀有介电层和疏水层。 在初始状态时,由于液体与侧壁界面张力的作用,液-液界面为凸型,如图1(a)所示,透镜表现为负透镜,光线通过透镜后发散。 外加电压后,接触角随电压而改变,透镜焦距随之变化,最终可以表现为正透镜,光线通过透镜后会聚,如图1(b)所示。 图1(c)展示了圆柱形电润湿液体透镜的实物及工作状态。 圆柱形的结构不仅增大了电润湿液体透镜的有效孔径,还实现了正负焦距的变化,增大了变焦范围。

图1 圆柱形电润湿液体透镜[14]Fig.1 Cylindrical electrowetting liquid lens[14]

2017 年,德国的Zappe 等[15]提出了一种双层液-液界面的电润湿液体透镜,通过在不同位置设计不同高度的电极结构,实现多层导电液体的曲率操控,进一步扩大了电润湿液体透镜的焦距变化范围。 2021 年,该团队又通过优化液体特性、利用液体黏度和表面张力之间的相互作用提升了电润湿液体透镜的响应速度[16]。

电润湿液体透镜已经实现了商业化,并可以应用到多种光学系统中[17]。 2018 年,美国康宁公司开发了一系列经验模型来预测电润湿液体透镜的液-液两相的多个物理和化学性质[18],研制了高折射率差的电润湿液透镜的液体配方,获得了用于电润湿透镜的2 种液体的最佳匹配范围,进一步指导了电润湿液体透镜的商业发展。

国内, 清华大学岳瑞峰教授团队[19]在2012 年提出了一种由涂有导电氧化铟锡(ITO)膜、疏水电介质膜的载玻片、中空锥形金属环和液体组成的电润湿液体透镜,该透镜通过改变施加在金属环和ITO 控制电极上的电压,可逆地调整液体弯月面的位置和曲率,从而调整透镜的焦距,该电润湿液体透镜的最短焦距可以达到2.5 cm。2020 年,天津大学的张红霞等[20]计算了不同孔径的电润湿液体透镜的液-液界面面型,分析了不同电压下电润湿液体透镜的焦距范围、波前像差和孔径之间的关系,提出了一种三层液体的电润湿液体透镜,提高了电润湿液体透镜的数值孔径,其均方根波前像差误差小于四分之一波长。

笔者团队一直致力于电润湿液体透镜的研究。 2015 年,笔者团队提出了具有多重环形反射面的电润湿液体透镜[21],其结构如图2(a)所示。在外加电压后,液-液界面曲率的调节结合内部多重环形反射结构可有效提升透镜的光焦度变化量,如图2(b)所示。 图2(c)展示了多重环形反射面的电润湿液体透镜的实物,该液体透镜具有结构紧凑、变焦范围大的优点。 2019 年,笔者团队又结合电润湿液体透镜的可调焦性质并辅助非球面透镜,提出了一种集成非球面的电润湿液体透镜[22],如图3(a)所示。 随着外加电压的变化,液体界面曲率发生改变,电润湿液体透镜的焦距随之改变,同时,当光通过非球面时,由于界面折射率不同,光可以被精确地聚集以消除球差和畸变。 图3(b)、(c)展示了该集成非球面的电润湿液体透镜的实物及施加不同电压时该透镜的成像结果,该透镜在一定调焦范围内同时消除部分像差,提高了电润湿液体透镜成像质量。

图2 多重环形反射面的电润湿液体透镜[21]Fig.2 Electrowetting liquid lens with multiple annular reflective surfaces[21]

图3 集成非球面的电润湿液体透镜[22]Fig.3 Electrowetting liquid lens integrated with aspherical surface[22]

笔者团队对电润湿液体透镜的结构进行了优化设计,并对其液体材料进行了研究,提出了一种基于无水有机溶液的球形电润湿液体透镜[23],其结构如图4(a)所示。 透镜的腔体为球形,可以扩大接触角范围,从而进一步扩大透镜的焦距变化范围。 透镜实物和成像结果如图4(b)、(c)所示,其中导电液体为有机盐醇溶液, 密度为1.048 g/cm3,折射率为1.438 7,非导电液体为芳香卤代烃和汽油分段烷烃的混合溶液,密度为1.048 g/cm3,折射率为1.490 1。 无水有机溶液可以避免加电压后的水解现象,即使电润湿液体透镜的介电层失效,该透镜仍能继续使用,这将大大增加电润湿液体透镜的稳定性,延长使用寿命。

图4 基于无水有机溶液的球形电润湿液体透镜[23]Fig.4 Spherical electrowetting liquid lens with non-aqueous organic solution[23]

2 电润湿液体透镜在显微成像中的应用

研究表明,由于电润湿液体透镜的机理限制,电润湿液体透镜的口径较小,在小口径的成像系统中更具有优势,显微镜属于典型的小口径成像系统,电润湿液体透镜已经广泛应用于各种显微成像系统中。 根据电润湿液体透镜在显微成像系统中的功能,本文将基于电润湿液体透镜的显微成像技术大致分为2 类:连续光学变焦和轴向扫描。

2.1 连续光学变焦

电润湿液体透镜最大的优势在于具有自适应变焦功能,因此,基于电润湿液体透镜的显微镜可以实现无机械移动的连续光学变焦,打破了传统显微镜离散变焦的局限。

2016 年,笔者团队首次研制出了基于电润湿液体透镜的连续光学变焦显微镜样机[24],如图5(a)所示。 该样机主要由显微物镜、环形光源、镜筒和CCD 组成。 其中,显微物镜由3 个电润湿液体透镜和2 个固体透镜组成,如图5(b)所示。 通过外加电压控制电润湿液体透镜的焦距,在无任何机械移动的情况之下,该显微镜可以实现7.8 ～13.2 倍的连续光学变焦,其倍率切换时间约为50 ms。此外,在变焦的过程中,通过3 个电润湿液体透镜的配合还可以实时校正成像的像差,提高显微镜的成像分辨率,成像结果如图5(c)所示。

图5 基于电润湿液体透镜的连续光学变焦显微镜[24]Fig.5 Continuous optical zoom microscope with electrowetting liquid lens[24]

近期,笔者团队通过优化设计进一步提升了基于电润湿液体透镜的连续光学变焦显微成像技术[25],提高了成像的分辨率,增大了变焦范围。 其中,显微镜的物镜由4 个电润湿液体透镜和6 个固体透镜组成,如图6(a)所示。 固体透镜承担了系统大部分的光焦度,再通过协调施加在4 个液体透镜上的驱动电压,可以实现从9.6 倍到22.2 倍连续光学变焦。 计算并验证了电润湿液体透镜的曲率半径和系统放大倍率的关系,结果如图6(b)所示。 本文研制了该显微物镜样机并测试了其成像结果,如图6(c)、(d)所示,结果表明,该显微物镜在变焦过程中可以保持200 lp/mm 的高分辨率(lp/mm 指线对每毫米,是镜头分辨率计算单位)。

图6 高分辨率的连续光学变焦显微物镜[25]Fig.6 Microscopic objective of high resolution continuous optical zoom[25]

为了进一步扩大连续光学变焦显微镜的变焦范围,笔者团队研制了一种由变焦物镜和变焦目镜组成的大变焦范围的连续光学变焦显微镜[26],将显微镜的变焦范围提升到了59.1 ～159.2 倍。该显微镜的系统组成和原理如图7(a)所示,其中,变焦物镜由3 个固体透镜和4 个电润湿液体透镜组成,变焦目镜由消色差目镜和1 个电润湿液体透镜组成。 外加电压改变目镜和物镜中电润湿液体透镜的焦距时,物镜和目镜的焦距及两者之间的像面随之变化,这在很大程度上增大了焦距的调节范围。 本文研制的显微镜如图7(b)所示,其成像结果如图7(c)所示,该显微镜的最大数值孔径为0.212,在变焦过程中具有良好的成像质量。

图7 大变焦范围的连续光学变焦显微镜[26]Fig.7 Continuous optical zoom microscope with large zoom range[26]

2.2 轴向扫描

显微镜轴向扫描是实现大景深显微的关键技术,该技术不仅能够提升成像面的深度范围,还可以通过层析扫描获取样本的深度信息和3D 重建,大大推动了显微成像技术及相关行业的研究进展。 电润湿液体透镜可以自适应调焦,是实现轴向扫描最佳的方式之一。

美国中佛罗里达大学的Murali 等[27]基于电润湿液体透镜设计了一种高分辨率三维扫描显微系统,该显微系统具有自适应调焦功能,不仅可以无机械运动实现快速聚焦,还可以对重新聚焦产生的光学像差进行补偿。 该显微镜的分辨率达到250 lp/mm,成像深度为2 mm,可应用于生物医学成像、干涉测量及3D 成像等。 随后,该团队又提出了基于电润湿液体透镜的具有像差补偿动态重聚焦的光学相干显微镜[28],通过实验对显微镜的聚焦深度进行了量化表征,应用该显微镜获得了横向2 mm、纵向0.8 mm、8 个不同聚焦位置的一系列体内清晰的横断面图像。

美国乔治亚大学的Tehrani 等[29]使用电润湿液体透镜在多光子显微镜中进行远程聚焦扫描,该方法可以应用于多个活体标本的成像和测量,实现了活体动态活动的五维双光子体积显微成像。

华南师范大学的Yang 等[30]基于电润湿液体透镜提出了一个快速可控的共聚焦光声显微系统,以实现不同深度表面不规则或多层结构标本的整体切片成像。 该共聚焦光声显微系统的物镜主要由电润湿液体透镜和聚偏二氟乙烯传感器组成,通过电润湿液体透镜的自适应变焦,物镜可以调整共聚焦光声显微系统的焦距,实现了约6 ～43 mm的共聚焦扫描范围,且具有较高的横向分辨率和较短的聚焦时间。

笔者团队提出了一种双液-液曲面的电润湿液体透镜[31],并将其用于显微成像系统中,实现了在无机械移动的情况下任意倍率的显微物镜都可以进行轴向扫描,且保持放大倍率不变。 该显微系统的组成结构及双液-液曲面的电润湿液体透镜如图8(a)所示,通过外加电压调整液面曲率,可以实现对样本的轴向扫描。 显微系统的扫描成像结果如图8(b)、(c)所示。 实验表明,该系统对深度1 mm 的样本每一个层面均能清晰成像。

图8 基于双液-液曲面电润湿液体透镜的轴向扫描显微系统Fig.8 Axial scanning microscopic system using electrowetting liquid lens with two liquid-liquid curved interfaces

3 结束语

电润湿液体透镜是近年来光学成像领域冉冉升起的新星,具有灵活的透镜界面,被认为是下一代微型光学透镜。 基于电润湿液体透镜的显微成像系统可以快速连续光学变焦来实时观测样本,且能实现活体样本的3D 观测,解决了部分显微成像系统存在的技术瓶颈,一定程度上推动了显微成像技术的发展。 本文介绍了电润湿液体透镜的发展,综述了基于电润湿液体透镜的显微成像技术的国内外研究现状,并讨论了基于电润湿液体透镜的显微成像技术的机遇和挑战。

显微系统的轴向扫描仅仅需要一片电润湿液体透镜就能实现,可以与任意的现有显微镜结合,是电润湿液体透镜在显微成像系统应用中相对比较简单和成熟的技术手段。 基于电润湿液体透镜实现显微镜的连续光学变焦被认为是电润湿液体透镜在显微成像系统应用中最有前景同时又是最有挑战的研究,这将打破显微镜离散变焦的传统局限,同时大大减小显微镜的尺寸,给显微镜的发展带来新的发展契机。

然而,电润湿液体透镜依然存在一些科学问题亟待解决,基于电润湿液体透镜的显微成像技术仍存在一些挑战。

从电润湿液体透镜方面来看,其在显微系统中的使用目前还存在以下3 个技术难题需要去解决:

1) 电润湿液体透镜达到最大/最小焦距所需的驱动电压约为60 V,需要单独的驱动器来控制变焦,不利于显微系统的集成化。

2) 电润湿液体透镜由2 种液体组成,液体的折射率、阿贝数会影响透镜的光焦度、成像质量。目前的电润湿液体透镜光焦度和成像质量还有待提高。

3) 电润湿液体透镜的孔径依然有限,目前商业化的最大口径仅为5.8 mm,这也限制了显微镜获得更大的分辨率。

从显微成像系统方面来看,基于电润湿液体透镜的显微技术还存在以下2 个挑战:

1) 电润湿液体透镜的变焦范围较小,导致显微系统的变焦比有限。 为了获得更大的变焦范围,可以使用更多的电润湿液体透镜,而目前电润湿液体透镜孔径较小,增加透镜数量会导致显微成像系统的分辨率和亮度下降,这与显微镜的高分辨要求相矛盾,如何在保持较高的成像质量的前提下增大变焦范围是基于电润湿液体透镜的显微成像技术面临的最大挑战。

2) 尽管电润湿液体透镜的尺寸较小,但其驱动尺寸相对较大。 如何将电润湿液体透镜的驱动与显微成像系统集成,使基于电润湿液体透镜的显微镜微型化、便携化,这是研究者们面临的另一个挑战。