高速变焦：可调谐光学系统

可调谐光学系统一直以来就是三维（3D）生物医学成像、工业制造和先进光谱学等领域至关重要的组成部分。而设计可调谐光学系统的核心问题便是如何快速控制光在三维空间的焦点位置，只有实现高速对焦控制才能在成像领域提高对目标3D检索的速率、在激光加工领域提高其加工产量。

虽然目前可以利用反射镜和光偏转器实现光在x和y方向的快速控制，但基于光学部件或机械移动样品的传统方法对z焦点方向的控制速度比沿x和y方向慢三个数量级。 因此，需要进一步提高可调谐光学系统在z焦点方向的控制速度，以实现真正的三维快速可调谐光学系统。

近日，普林斯顿大学的Craig B. Arnold等人在Nature Photonics上发表综述，题为“Variable optical elements for fast focus control”， 分析和介绍了实现亚毫秒和微秒响应时间的高速变焦光学元件的关键技术，回顾了该技术发展在相关技术领域中的应用，并讨论了该技术的重要发展前景。

一、高速变焦光学系统关键技术

目前，实现高速变焦光学系统的关键技术主要朝两个方向发展： 一是改善材料的响应时间；二是应用新型的调谐技术。 如表1所示，为基于不同工作原理的可调谐光学系统。在文里，作者对三种最新技术：铁电液晶透镜，可调声学梯度透镜和自适应光学技术进行了详细介绍。

表源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Table 1

（1）铁电液晶透镜

液晶（LC）透镜可以通过改变外加电场的形式来改变LC方向而产生光学各向异性和介电各向异性，从而获得可调谐的折射率，利用该特性可以通过使用具有弯曲表面的LC或通过使用带有图案化电极的轴对称非均匀电场来实现焦距的控制。

图1 向列相液晶与铁电液晶的示意图

图源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Fig 1(b)

虽然传统的向列相LC透镜驱动方法响应时间较慢，约为几十到数百毫秒，不足以达到高速变焦的效果，但研究人员发现利用铁电液晶透镜便能实现高速变焦的光学元件，如图1所示，这是由于铁电液晶呈现出具有明确定义的层和手性特性，可以对电场产生自发极化响应，从而可以实现亚秒级别的光变焦时间。

（2）可调声学梯度透镜

可调声学梯度（TAG）透镜，也称为超声透镜 ，其原理是利用压电材料产生的声波来径向激励具有两个平板玻璃窗口的充满折射流体的圆柱腔，并获得焦距的超高速变化。

图2 可调声学梯度透镜原理图

图源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Fig 1(c)

如图2所示，圆柱压电体以较强的径向振动模式在平板玻璃壁上产生具有某一驱动频率（t=0）的声波，并在两个平板玻璃之间来回传播，相互干扰从而达到稳定状态，并在折射流体中产生一定密度的驻波震荡。 因此可以通过控制驱动频率的方式来获得特定的驻波密度震荡，从而获得可以梯度连续变化的折射率及焦距，且其变焦时间可低至微妙甚至更短的时间。

（3）自适应光学技术

利用电流镜或自适应光学元件（例如可变形镜和空间光调制器）同样可以实现快速变焦的功能。

图3 传统机械变焦透镜与自适应变焦透镜对比图

图源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Fig 1(d)

如图3所示，左图为传统的Alvarez透镜，该透镜通过两个折射透镜的相对平移来实现对焦点的控制，但这种方式的响应时间较长，无法满足高速调焦的要求。为了进一步降低其响应时间，因斯布鲁克医科大学的Martin Bawart等人在两个折射透镜之间放置一个振镜，并通过光束偏转的方式实现对焦点的控制，如图3右所示， 将响应时间降低到了亚毫米级别。

二、高速变焦光学系统的应用

如上所述，新兴的技术和材料促进了高速变焦系统的发展与创新， 但这种技术的发展在实际科学和工业领域的应用意义到底如何呢？

（1）快速3D成像

如今，2D平面信息可以通过高速相机或其他光学系统轻而易举的获得，而3D立体信息通常是通过不同焦平面图像序列的堆栈来获得，因此高速变焦光学系统的发展对3D成像就显得尤为重要。

目前已有研究表明可以将高速变焦光学系统应用于光片荧光显微镜、定量相显微镜和明场显微镜中，并且由于高速变焦光学系统赋予的低响应时间，最大程度上缩短了重新聚焦的等待时间， 使得光学系统在每个脉冲照明下均可捕获图像，从而实现目标3D信息的快速获取。

（2）先进光谱学

随着单分子定位技术、单粒子跟踪、超分辨率荧光显微技术和荧光光谱学的发展，对可采集定量数据的光学技术也提出了更为严苛的要求，即通常需要完成对目标图像细节、标本速度、扩散系数及其他重要参数的提取和量化。

在这种情况下， 利用高速变焦光学系统可以在不同焦平面收集信息，并能在轴向范围内追踪多个微尺度和纳米尺度的物体，从而可以提高所采集数据的质量并减少测量参数的不确定性，进而达到上述技术的严苛要求。

此外，利用高速变焦光学系统个高分辨率和高速数据采集的优势可以使其在工业制造中进行更为详细的计量分析，从而提高快速原型设计和质量控制的能力。

（3）激光加工

通常，只有将光束聚焦后才能将其应用于高分辨成像、光学陷波、3D打印、激光加工和光通信等领域，然而，当光束聚焦成微米大小光斑的同时不可避免地缩小了其景深范围，在一定程度上影响了其应用范围。

以激光加工为例，当对高度差大于其景深的非平坦表面进行激光加工时，就需要将加工表面按照高度分为多个加工步骤，并在每个加工步骤之前都需要重新进行聚焦，大大降低了激光加工的工作效率。

而高速变焦光学系统恰能解决这一难题，仅通过焦点的快速控制便可完成对不同高度平面的加工处理，从而实现超高的激光加工速率，此外，该系统还可以显著提高微秒级时间尺度下的微加工能力。

图4 变焦光学系统在开启和关闭时的加工结果示意图

图源： Applied Physics Letters , 2013, 102(6): 061113. Fig 4

如图4所示，为变焦光学系统在开启和关闭时对四个不同高度的硅表面进行加工的结果示意图，其中变焦光学系统关闭时，仅能在一个高度的硅表面进行加工，而当系统开启时，便可以在四个高度的硅表面均进行加工。

（4）生物光学成像

当对生物样品进行光学成像时，将活细胞或者生物体暴露于光环境下会损害其生物样品的活性，这种现象通常成为光毒性，并且对带有荧光团或其他荧光探针标记的样品进行实时成像时会加剧光毒性。此外，使用较高的激发强度来维持较强的荧光通量也会增加光子诱导损伤的风险，还有可能导致光漂白，即荧光信号的消失。

而高速变焦光学系统便是近年来防止光漂白和光毒性的有效解决方案之一，目前该方案主要分为两个途径： 第一条途径是利用焦点的空间调控， 即使用变焦光学系统仅对目标区域进行照明，保持其他部分为未曝光状态，减少传递给样品的激发功率，从而降低光毒性和光漂白作用； 第二条途径是利用焦点的时间调控， 即使用高速变焦光学系统沿轴向方向对每个部分进行聚焦，并将响应时间控制在微秒时间尺度上，使响应时间小于弛豫时间，从而降低光漂白的可能性。

三、高速变焦光学系统的发展前景

高速变焦光学系统以其高速且精确改变焦点的能力为3D生物医学成像，工业制造，光谱学以及其他光学领域的应用打开了新的大门。

在未来，随着电子技术和光学探测器的发展，将进一步加快变焦光学系统的发展，且该技术的影响将会蔓延至其他各个领域，例如：高速变焦光学系统的小型化与光流体学的结合对超高速光通信技术的影响。此外，随着新型材料特性和新型驱动方法的发现，新型高速变焦光学系统及其应用将如雨后春笋般在科学界及工业界中浮现。

文章信息

Kang, S., Duocastella, M. & Arnold, C.B. Variable optical elements for fast focus control. Nat. Photonics 14, 533–542 (2020).

论文地址

https://doi.org/10.1038/s41566-020-0684-z

点击阅读原文，查看更多精彩！

喜欢本篇内容，请分享、点赞、在看