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液体变焦镜头的研究进展

黄翔 林四英 谷丹丹 卜振翔 易伟劲 谢培钦 王凌云

黄翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易伟劲, 谢培钦, 王凌云. 液体变焦镜头的研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
引用本文: 黄翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易伟劲, 谢培钦, 王凌云. 液体变焦镜头的研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
HUANG Xiang, LIN Si-ying, GU Dan-dan, BU Zhen-xiang, YI Wei-jin, XIE Pei-qin, WANG Ling-yun. Review on progress of variable-focus liquid lens[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
Citation: HUANG Xiang, LIN Si-ying, GU Dan-dan, BU Zhen-xiang, YI Wei-jin, XIE Pei-qin, WANG Ling-yun. Review on progress of variable-focus liquid lens[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179

液体变焦镜头的研究进展

doi: 10.3788/CO.20191206.1179
基金项目: 

福建省卫生教育联合攻关计划 WKJ2016-2-21

详细信息
    作者简介:

    黄翔(1995—), 男, 浙江安吉人, 硕士研究生, 2017年于厦门理工学院获得学士学位, 主要从事微光学系统和流体喷射方面的研究。E-mail:huangxiang701@163.com

    王凌云(1978—), 男, 四川通江人, 副教授, 博士生导师, 2001年、2009年于厦门大学分别获得学士、博士学位(硕博连读), 主要从事微纳传感系统、微光学系统与人工视觉、流体喷射与3D打印等方面的研究。E-mail:wangly@xmu.edu.cn

  • 中图分类号: TH74

Review on progress of variable-focus liquid lens

Funds: 

Fujian Health and Education Joint Tackling Plan WKJ2016-2-21

More Information
  • 摘要: 相比于传统的机械变焦镜头,液体变焦镜头具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点,被广泛应用于图像采集、目标追踪和特征识别等领域。焦距调节方式决定了液体镜头的性能和应用,本文概括了基于液晶材料、介电泳、电化学、电润湿原理的物性控制式变焦镜头和基于静电力、电磁力、压力调节和环境响应的机械驱动式变焦镜头的研究现状,介绍了液体变焦镜头在光流控芯片内的集成应用,并指出当前面临的主要问题和解决方案。最后,对液体变焦镜头的发展前景和研究方向进行了展望和总结。
  • 图  1  液体变焦镜头的分类

    Figure  1.  Classification of liquid variable-focus lenses

    图  2  不同电压下液晶分子取向示意图[42]

    Figure  2.  Liquid crystal molecular orientation model at various voltages[42]

    图  3  电化学活化液体透镜示意图[29]

    Figure  3.  Schematic of electrochemically activated liquid lens[29]

    图  4  基于介电泳力作用的液体变焦镜头结构和器件[30]

    Figure  4.  Structure and device of the variable-focus liquid lens based on dielectrophoresis force[30]

    图  5  电润湿原理及实验[45]。(a)介质上电润湿原理示意图;(b)加压前后液滴润湿性实验

    Figure  5.  Principle and experiment of electrowetting[45]. (a)Schematic diagram of electrowetting-on-dielectric. (b)Wettability test of droplet before and after applying voltage

    图  6  可调电润湿液体镜头结构与实验[34]。(a)透镜结构;(b)环形光圈模式;(c)中心光圈模式;(d)焦距与电压的关系

    Figure  6.  Structure and experiment of the switchable electrowetting liquid lens[34]. (a)Cell structure. (b)Annular aperture mode. (c)Central clear aperture mode. (d)The relations between focal length and applied voltage

    图  7  基于静电吸引的液体变焦镜头[47]。(a)透镜截面结构;(b)无电压状态;(c)加电压状态

    Figure  7.  Variable-focus liquid lens by electrostatic attraction[47]. (a)Cross-sectional structure of the lens. (b)Without an applied voltage. (c)With an applied voltage

    图  8  3种常见的电磁驱动液体镜头结构[49-51]。(a)基于电磁吸引的液体变焦镜头;(b)基于通电线圈洛伦兹力驱动的液体变焦镜头;(c)基于铁磁流体流动的液体变焦镜头

    Figure  8.  Structure of three common electromagnetically driven liquid lenses[49-51]. (a) Electromagnetic attraction varifocal liquid lens. (b) Electric coil Lorentz force driven varifocal liquid lens. (c) Ferrofluid-based fluid varifocal liquid lens

    图  9  压力调节液体镜头结构[54-56]。(a)基于液压控制的液体变焦镜头;(b)基于手动操纵的液体变焦镜头;(c)基于形状记忆合金变形的液体变焦镜头

    Figure  9.  Structures of pressure adjusted liquid lenses[54-56].(a)Variable-focus liquid lens based on hydraulic control.(b)Variable-focus liquid lens based on manual actuation. (c)Variable-focus liquid lens based on shape memory alloy deformation

    图  10  激光诱导变焦透镜的原理及实验[59]

    Figure  10.  Principle and experiment of varifocal liquid lens actuated by laser-induced[59]

    图  11  超声压电激励液晶透镜[60]

    Figure  11.  Liquid crystal lens actuated by ultrasonic piezoelectric [60]

    图  12  基于液体变焦镜头集成的光流控芯片[61-62]。(a)用于流动环境中生物细胞捕捉的热梯度折射率液体镜头;(b)三维液-液双凸凹变焦镜头用于生物细胞成像

    Figure  12.  Varifocal liquid lens integrated optofluidic chip[61-62].(a)Thermal gradient refractive index liquid lens for trapping single living cell in flowing environments. (b)Switchable 3D liquid-liquid biconvex lens for biological cell image

    表  1  4种介质层的实验结果

    Table  1.   Experimental results obtained with four kinds of dielectric layers

    介电层 填充液 击穿电压/V 工作电压/V
    Parylene C D.I water 95 10
    SDS 20 2
    Parylene C+Al2O3 D.I water 125 50
    SDS 22 6
    Parylene C+SiO2 D.I water 120 40
    SDS 20 2
    Parylene C+SiO2+Al2O3 D.I water 135 65
    SDS 24 8
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-01-18
  • 修回日期:  2019-03-04
  • 刊出日期:  2019-12-01

液体变焦镜头的研究进展

doi: 10.3788/CO.20191206.1179
    基金项目:

    福建省卫生教育联合攻关计划 WKJ2016-2-21

    作者简介:

    黄翔(1995—), 男, 浙江安吉人, 硕士研究生, 2017年于厦门理工学院获得学士学位, 主要从事微光学系统和流体喷射方面的研究。E-mail:huangxiang701@163.com

    王凌云(1978—), 男, 四川通江人, 副教授, 博士生导师, 2001年、2009年于厦门大学分别获得学士、博士学位(硕博连读), 主要从事微纳传感系统、微光学系统与人工视觉、流体喷射与3D打印等方面的研究。E-mail:wangly@xmu.edu.cn

  • 中图分类号: TH74

摘要: 相比于传统的机械变焦镜头,液体变焦镜头具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点,被广泛应用于图像采集、目标追踪和特征识别等领域。焦距调节方式决定了液体镜头的性能和应用,本文概括了基于液晶材料、介电泳、电化学、电润湿原理的物性控制式变焦镜头和基于静电力、电磁力、压力调节和环境响应的机械驱动式变焦镜头的研究现状,介绍了液体变焦镜头在光流控芯片内的集成应用,并指出当前面临的主要问题和解决方案。最后,对液体变焦镜头的发展前景和研究方向进行了展望和总结。

English Abstract

黄翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易伟劲, 谢培钦, 王凌云. 液体变焦镜头的研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
引用本文: 黄翔, 林四英, 谷丹丹, 卜振翔, 易伟劲, 谢培钦, 王凌云. 液体变焦镜头的研究进展[J]. 中国光学, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
HUANG Xiang, LIN Si-ying, GU Dan-dan, BU Zhen-xiang, YI Wei-jin, XIE Pei-qin, WANG Ling-yun. Review on progress of variable-focus liquid lens[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
Citation: HUANG Xiang, LIN Si-ying, GU Dan-dan, BU Zhen-xiang, YI Wei-jin, XIE Pei-qin, WANG Ling-yun. Review on progress of variable-focus liquid lens[J]. Chinese Optics, 2019, 12(6): 1179-1194. doi: 10.3788/CO.20191206.1179
    • 近年,在工业4.0时代背景下,“中国制造2025”战略快速深入,智能制造成为了现代制造业的主要发展方向[1-2]。发展高端制造装备产业,对加快制造业朝着智能化、经济化和绿色化方向转型升级,提高生产效率、产品质量和技术水平等具有很大的推动作用[3]。机器视觉在智能制造中用于实现定位操控、特征识别、瑕疵检测、部件装配和分类计数等功能[4-10]。光学变焦镜头作为视觉成像系统的关键部件,通过在一定范围内变换焦距,以调节影像大小和景物范围。传统的变焦光学系统由一系列焦距固定的透镜组成,利用光学元件结合复杂的运动实现变焦[11-12]。变焦过程中需要对透镜组的运动轨迹精确控制,操作复杂、可靠性低、体积大和成本高,难以满足机器视觉在智能制造装备中的成像需求[13-14]。因此,研发微型化、智能化、低功耗和低成本的新型变焦系统,成为许多研究人员追求的热点[15]

      受到昆虫和人类眼睛等生物结构的启发[16-19],研究人员通过研究液体的折射率、表面张力和接触角等物理参量,实现对透明介质的操纵,有望克服传统机械式变焦系统的局限。液体变焦技术作为一种新型的变焦方式,通过改变液体透镜的形状或折射率来实现焦距的调节[20]。目前,商用的液体变焦镜头可分为渐变折射率镜头和变曲率镜头两种,分别通过控制液晶材料的排列晶向和液体界面曲率调节焦距[21]。美国LENSVECTOR公司生产的LV-S3系列渐变折射率透镜,利用动态可调的电场改变液晶分子取向以调节镜头的折射率;法国VARIOPTIC公司研制的Arctic316型电润湿变焦镜头和美国HOLOCHIP公司生产的APL-1050型变曲率液体透镜,分别通过改变电压和填充液体压力的方式完成焦距的调节。

      液体变焦镜头无需复杂的机械变焦结构,具有体积小、响应快、成本低和集成度高等特点,大幅简化了光学成像系统的结构,有利于集成设备的小型化和轻量化。本文针对物性控制式和机械驱动式两种不同的变焦驱动方式,概括了液体变焦镜头的发展现状,并介绍了其在光流控芯片内的集成应用。同时,对液体变焦镜头研究面临的难题进行分析,探讨了相应的解决措施,并对未来的发展趋势和研究方向进行了展望和总结。

    • 按照液体变焦驱动机制的不同,液体变焦镜头分为物性控制式和机械驱动式,如图 1所示。其中,物性控制式变焦镜头包括基于液晶材料、电化学活化、介电泳技术和电润湿技术的液体变焦镜头。机械驱动式变焦镜头包括基于静电力驱动、电磁力驱动、压力调节和环境响应液体变焦镜头。

      图  1  液体变焦镜头的分类

      Figure 1.  Classification of liquid variable-focus lenses

    • 物性控制式液体变焦镜头依靠镜头内填充介质材料本身的物理性质变化实现焦距调节。通过对电压驱动规律的探究,实现了介质材料的分子取向、表面张力、接触角和润湿性等参数的操控,如液晶材料[22-28]、电化学技术[29]、介电泳技术[30-33]和电润湿技术[34-40]

    • 大约在40年前,研究人员发现可以利用静电场控制平面型液晶微透镜实现变焦功能[41]。研究成果表明[42],在不施加外部电场时,液晶分子按照一定角度排列,如图 2(a)所示。在环形电场作用下,液晶分子取向会趋于电场方向倾斜,并且,随着电场强度的增大,倾斜角变大。在图 2(b)中,由于电场强度从中心向边缘增强,因此中心的液晶分子倾斜角度较小。白俄罗斯新材料化学研究所Bezruchenko等人[22]提出了一种基于预倾角梯度对准的液晶透镜制备方法。通过摩擦和紫外线照射获得理想的液晶分子预倾角分布。当电场强度为零时,液晶分子非均匀分布,并在初始状态下形成具有最小焦距值的双折射透镜。当电场作用时,液晶分子沿电场方向垂直均匀分布,能够得到无穷大的焦距值。实验中,使用直径为2 mm的液晶透镜,在0~10V的电压驱动下,焦距从47 cm变化到700 cm。该类镜头驱动电压较低,但受到电场强度和均匀性的限制,难以实现近焦成像,并且容易造成图像的光学失真。

      图  2  不同电压下液晶分子取向示意图[42]

      Figure 2.  Liquid crystal molecular orientation model at various voltages[42]

    • 电化学活化作用能够使水溶性分子在表面非活性态和表面活性态之间转化,实现对溶液中表面活性物质浓度的调控。同时,水溶性分子浓度的变化会导致液体表面张力改变,使液体介质产生变形[43]。美国伦斯勒理工学院Lopez等[29]设计了一种毛细管微透镜,由两个毛细管表面组成,用过量的自由表面液体填充毛细管孔,如图 3所示。表面活性剂在电压作用下会发生氧化还原反应,使一个毛细管表面相对于另一表面的表面张力发生变化。毛细管内液体曲率的改变将引起焦距的变化,而且这一过程是可逆的。实验中,获得透镜的最小焦距值为0.5 mm,主要取决于液体的体积。该类镜头的焦距调节响应时间较长,且变化规律难以定量分析,因此目前报道的研究相对较少。

      图  3  电化学活化液体透镜示意图[29]

      Figure 3.  Schematic of electrochemically activated liquid lens[29]

    • 介电泳效应指在非均匀电场的作用下,由于介质颗粒极化程度不同,导致正负电荷受力不均产生侧向位移[44]。美国威斯康星大学麦迪逊分校江洪睿等人[30]提出了一种基于柔性衬底的介电泳力作用液体变焦镜头,结构如图 4所示。

      图  4  基于介电泳力作用的液体变焦镜头结构和器件[30]

      Figure 4.  Structure and device of the variable-focus liquid lens based on dielectrophoresis force[30]

      该介电液体透镜包含硅油和多元醇两种密度相等的不导电液体。在柔性基底上表面沉积一层特氟龙(Teflon)薄膜,利用其润湿性对硅油滴的空间位置进行限制,减小运动产生的摩擦力。同时,在环氧SU-8树脂下表面布置一对环形同心电极,以产生非均匀电场。当施加电压时,由于多元醇的介电常数比被包围的硅油液滴的介电常数大,电场作用产生的介电泳力使液体向内挤压变形,从而增大硅油液滴与基底的接触角。当驱动电压达125 Vrms时,镜头焦距从14.2 mm变化到6.3 mm。该类透镜通常需要设计加工复杂的电极结构,而且驱动电压较高,调焦范围相对较小。

    • 介质上电润湿技术(EWOD)是目前运用广泛的制造液体镜头的技术之一。该技术通过在液体和电极之间施加电压,改变液滴及其接触面的润湿性,使得液滴和介质表面接触角发生变化,其原理如图 5(a)所示[45]。液滴的接触角变化与施加的电压U之间的关系,可由Young-Lippmann方程[46]表示。根据该方程可知,液滴与介质间接触角余弦值cosθ的改变不仅与电压值变化有关,也受介电层厚度d和介电常数ε变化的影响。图 5(b)所示为加压前后液滴接触角变化情况。可见,当施加电压时,液滴变形导致接触角减小。

      图  5  电润湿原理及实验[45]。(a)介质上电润湿原理示意图;(b)加压前后液滴润湿性实验

      Figure 5.  Principle and experiment of electrowetting[45]. (a)Schematic diagram of electrowetting-on-dielectric. (b)Wettability test of droplet before and after applying voltage

      四川大学王琼华等人[34]设计了一种基于环形光圈和中心光圈调焦模式的光学微透镜,结构如图 6(a)所示。该装置利用偏振片和液晶材料控制着不同偏振方向入射光线的通断。图 6(b)6(c)分别显示了初始状态和液晶材料施加电压状态下,入射光线在透镜内的路径。处于环形光圈模式时,由于反射片的作用,将入射光功率增大3倍,以增强镜头的成像亮度;处于中心光圈模式时,由于边缘光线被阻挡,从而降低了像差,扩大了景深,提高了镜头的光学成像质量。不同模式下的透镜焦距与电压关系如图 6(d)所示。当驱动电压从20 V变化到70 V时,中心光圈模式透镜的调焦范围为(-∞, -66.7 mm)∪(+32.4 mm, +∞)。而环形光圈模式透镜只能聚焦,调焦范围为(+18.4 mm, +∞)。相比于传统的电润湿镜头[35-36],这类液体镜头能够在高分辨率、大光功率的环形孔径模式和大景深、小像差的环形孔径模式之间切换,但是由于有效孔径的减小和偏振片的作用,透镜的光学效率降低,并且驱动电压仍然较高。

      图  6  可调电润湿液体镜头结构与实验[34]。(a)透镜结构;(b)环形光圈模式;(c)中心光圈模式;(d)焦距与电压的关系

      Figure 6.  Structure and experiment of the switchable electrowetting liquid lens[34]. (a)Cell structure. (b)Annular aperture mode. (c)Central clear aperture mode. (d)The relations between focal length and applied voltage

    • 机械驱动是液体镜头变焦的另一种实现方式,其通过调节镜头腔体压力和改变外界环境使液体介质的界面曲率或折射率的变化。常见的变焦方式有静电力驱动[47-48]、电磁力驱动[49-53]、压力调节[54-58]和环境响应[59-60]

    • 静电力驱动情况下,通电电极由于电场作用产生相互作用力,施加于镜头填充液。法国原子能委员会电子与信息技术实验室Pouydebasque等人[47]研发了一种由平面电极静电驱动的液体变焦镜头,结构如图 7所示。

      图  7  基于静电吸引的液体变焦镜头[47]。(a)透镜截面结构;(b)无电压状态;(c)加电压状态

      Figure 7.  Variable-focus liquid lens by electrostatic attraction[47]. (a)Cross-sectional structure of the lens. (b)Without an applied voltage. (c)With an applied voltage

      镜头装置通过弹性聚合物薄膜将高介电常数液体封装在薄玻璃片上的腔体中。同时,分别在薄膜下表面和薄玻璃片上表面沉积环形金属电极构成平行板静电致动器。当施加电压时,平行板电极由于静电吸引相互靠近,腔内液体被挤向透镜中心,改变了薄膜的曲率。该镜头结构紧凑(小于6 mm×6 mm×0.7 mm)、驱动电压低(小于25 V),利用MEMS制造工艺批量化生产增强了产品的价格竞争力。

    • 利用电磁场与磁性材料、带电导体和铁磁流体的相互作用产生电磁力,直接或间接地作用于镜头腔体内部填充液体。图 8为3种常见的电磁力驱动变焦镜头结构原理。韩国明基大学Sang等人[49]设计了基于电磁铁系统的液体变焦镜头,原理如图 8(a)所示。利用透镜下方的电磁系统驱动弹性薄膜上的环形钕磁铁,控制透镜室内的液体弹性薄膜凸起或凹陷,使填充液体在透镜腔和驱动腔之间流动。该镜头结构简单,焦距变化范围较大,但是由于电磁系统的引入,增大了镜头体积。韩国科学技术院Lee等人[50]提出了由聚二甲基硅氧烷(PDMS)弹性薄膜与电磁微致动器集成的液体镜头,结构见图 8(b)。在电场和磁场的共同作用下,附着在薄膜上的带状金属电极在洛伦兹力驱动下将引起薄膜均匀变形,并通过液体介质传递到透镜腔体。该类镜头具有驱动电压低,成像像差小等特点,但是在施加的大电流作用下电极产生的热量会加速液体介质的蒸发,影响镜头成像性能的稳定性。美国中佛罗里达大学Wu等人[51]研究了一种由铁磁流体驱动的液体变焦镜头,如图 8(c)所示。该研究采用铁磁流体作为活塞,通过电磁铁吸引控制透镜腔内液体的压力,从而改变透镜的曲率和焦距,具有成像质量高、响应速度快和重力效应小等优势,但是需要用聚四氟乙烯等低摩擦系数液体对铁磁流体进行包覆,防止其粘附于流道内壁,并且至今仍未能实现电磁驱动系统在镜头结构中的集成。

      图  8  3种常见的电磁驱动液体镜头结构[49-51]。(a)基于电磁吸引的液体变焦镜头;(b)基于通电线圈洛伦兹力驱动的液体变焦镜头;(c)基于铁磁流体流动的液体变焦镜头

      Figure 8.  Structure of three common electromagnetically driven liquid lenses[49-51]. (a) Electromagnetic attraction varifocal liquid lens. (b) Electric coil Lorentz force driven varifocal liquid lens. (c) Ferrofluid-based fluid varifocal liquid lens

    • 压力调节式液体变焦镜头通过在镜头液体腔内充液、挤压或改变孔径等方式调节腔室压力,使透镜薄膜曲率或者介质材料折射率发生变化。南京邮电大学梁忠诚等人[54]设计了一种基于液压控制的光学变焦透镜,结构如图 9(a)所示。该结构通过注入或抽取液体,改变装置进出口压力差值,实现双凹和双凸透镜的转换。镜头装置具有结构简单、调焦范围大等优点,但是需要液压泵或者注射器等为其提供驱动力。印度理工学院Patra等人[55]提出了一种基于线性驱动器的手动变焦透镜,如图 9(b)所示。该变焦透镜通过旋转螺栓改变镜头下腔室的体积,从而改变上下层液体间的界面曲率。当镜头孔径为3 mm时,理论聚焦范围在0.1~0.5 m之间,具有结构简单、成本低和响应快等优势,但焦距调节范围较小,并且难以精确控制。美国犹他大学Hasan等人[56]以形状记忆合金弹簧为执行机构,设计的大光圈液体变焦透镜如图 9(c)所示。利用形状记忆合金弹簧控制压缩环的变形,通过调节镜头孔径实现变焦。该镜头进光孔径达到34 mm,适用于大光圈成像、小巧轻便的成像设备,但是镜头响应速度受执行机构的限制。

      图  9  压力调节液体镜头结构[54-56]。(a)基于液压控制的液体变焦镜头;(b)基于手动操纵的液体变焦镜头;(c)基于形状记忆合金变形的液体变焦镜头

      Figure 9.  Structures of pressure adjusted liquid lenses[54-56].(a)Variable-focus liquid lens based on hydraulic control.(b)Variable-focus liquid lens based on manual actuation. (c)Variable-focus liquid lens based on shape memory alloy deformation

    • 环境响应式液体变焦镜头利用液体介质对温度和振动等外部环境参数变化的响应,通过改变曲率或折射率调节焦距。俄罗斯秋明国立大学Malyuk等人[59]提出了一种由激光诱导的马兰戈尼力驱动的液体变焦透镜,如图 10所示。用激光束加热,使液滴从中心到边缘进行热毛细流动,从而改变液滴表面的局部曲率。通过调整激光束的功率,液滴可以作为聚焦透镜或发散透镜。该类透镜具有制造成本低、加工简单等优点,但是液体受热后蒸发速度加快,影响成像的稳定性。日本同志社大学Shimizu等人[60]设计一种液晶与超声结合的变焦透镜,该透镜使用超声振动技术控制液晶分子的方向,如图 11所示。镜头利用谐振频率下的连续正弦电信号激励锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)换能器产生超声振动,用以控制液晶层的分子方向,结构简单,利于集成设备的小型化。

      图  10  激光诱导变焦透镜的原理及实验[59]

      Figure 10.  Principle and experiment of varifocal liquid lens actuated by laser-induced[59]

      图  11  超声压电激励液晶透镜[60]

      Figure 11.  Liquid crystal lens actuated by ultrasonic piezoelectric [60]

    • 光流控技术将液体变焦镜头集成于微流控芯片中,对生物分子等样品检测发挥较大作用[61-67]。武汉大学杨奕等人[61-62]近年来在光流控芯片的设计与实现方面做了大量的研究,先后提出了用于流动环境中单细胞操纵的液体热梯度折射率(GRIN)透镜和用于检测流动细胞的三维液-液双凸变焦镜头,结构如图 12所示。在图 12(a)中,注入光流控芯片的中心流温度低于侧流,使流体在横向流动中形成双向梯度折射率分布,并通过光场力和阻力的协同作用对流动环境中单个细胞进行捕获分析。此类芯片可对280 μm人胚胎肾细胞的捕获,表明其在高质量成像、检测和细胞处理等芯片上有应用潜力。在图 12(b)中,三维双凸透镜利用辅助弯曲微通道产生的Dean流三维成像,通过控制液体的流速调节透镜的形状和焦距。此类芯片可对小鼠骨髓瘤细胞和急性早幼粒细胞成像,证明其在细胞成像和分析系统中具有广阔的应用前景。

      图  12  基于液体变焦镜头集成的光流控芯片[61-62]。(a)用于流动环境中生物细胞捕捉的热梯度折射率液体镜头;(b)三维液-液双凸凹变焦镜头用于生物细胞成像

      Figure 12.  Varifocal liquid lens integrated optofluidic chip[61-62].(a)Thermal gradient refractive index liquid lens for trapping single living cell in flowing environments. (b)Switchable 3D liquid-liquid biconvex lens for biological cell image

      此外,韩国首尔国立大学Wee等人[63]利用两种光学性质各向同性液体结合向列液晶材料实现了双折射透镜在光流控芯片中的集成。研究中使用向列相液晶材料控制入射光线的偏振方向,并通过操纵流道内两种不同液体之间的界面实现变焦。设计的双折射液晶透镜能够用于捕获纳米颗粒的光镊、3D显示的微透镜阵列等集成的微流控系统中。新加坡南洋理工大学Song等人[64]开发了基于液体变焦镜头的流式细胞仪。该装置借助填充液的体积变化控制柔性包覆膜曲率实现变焦,具有良好的聚焦性和非散射性,在细胞颗粒计数和粒径选择方面比以往的片上流式细胞仪具有更高的效率和精度。香港理工大学Zhang等人[65-66]报道了一种借助介电泳力连续调节变焦光流控透镜,利用透镜装置玻璃基底上下表面沉积的图案化电极产生非均匀电场。当驱动电压从0 V增加到260 V时,焦距值从-1 mm左右逐渐减小到负无穷,再从正无穷逐渐减小到+1 mm左右。该芯片装置体现了物性变焦液体镜头的优势,相比前面提到的光流控芯片,它无需连续液体供应,具有较宽的调焦范围,但驱动电压较高。

    • 液体变焦技术涉及材料学、流体力学、化学、物理学、微流体、微制造和微机电系统等众多学科领域[68],其能够克服传统的固体镜头组合的变焦局限,适用于高精度、快响应、小体积和低成本的成像设备,有着广阔的市场前景。目前,液体变焦技术尚未在数码摄影、医学成像和机器视觉等领域广泛应用,主要因为尚有一些问题需要解决[15]

    • 传统的液晶、介电泳和电润湿等介电材料驱动的物性控制式变焦镜头通常需要较高的驱动电压,阻碍了液体镜头的商业化进程。针对这一问题,日本秋田县高级技术研究所Ye等人[69]在液晶介质和孔状电极之间布置一层薄的弱导电材料,使直径为15 mm液晶透镜实现了低至11 V的电压驱动。比利时根特大学Beeckman等人[70]利用光刻工艺制作紧密排布的多电极结构,并使用高介电常数薄膜和浮动电极有效降低了液晶变焦镜头的驱动电压。上海理工大学彭润玲等人[71-72]先后研究了双层和单层介电膜结构对电润湿双液透镜驱动电压的影响。结果表明,在双层介电膜结构中,当疏水层薄膜厚度比高介电常数薄膜厚度小很多时,液体镜头可实现低压驱动;在单层介电膜结构中,适当减小膜厚有利于降低镜头的驱动电压。韩国高等科学技术学院Won等人[73]在保持介电层厚度恒定的前提下,研究了多层介电薄膜结构和液体介质类型对电润湿变焦镜头驱动电压的影响(见表 1)。由表 1可知,多层介电薄膜结构有利于提高介电薄膜的击穿电压,降低液体镜头的驱动电压。同时,将0.1wt.%十二烷基硫酸钠(SDS)加入去离子水(D.I water)中能够降低镜头的工作电压。

      表 1  4种介质层的实验结果

      Table 1.  Experimental results obtained with four kinds of dielectric layers

      介电层 填充液 击穿电压/V 工作电压/V
      Parylene C D.I water 95 10
      SDS 20 2
      Parylene C+Al2O3 D.I water 125 50
      SDS 22 6
      Parylene C+SiO2 D.I water 120 40
      SDS 20 2
      Parylene C+SiO2+Al2O3 D.I water 135 65
      SDS 24 8
    • 在液体变焦镜头中,多数液体介质为水或水基溶液,长期使用会出现液体蒸发,影响镜头的成像质量和系统的稳定性。对于机械驱动的液体变焦镜头,一般使用弹性薄膜包覆填充液体以形成密闭的透镜腔室,防止液体挥发逸出。而在电润湿镜头中,通常设计成双液结构,利用挥发性小的油基液滴包裹透镜液来减缓液体蒸发。美国肯塔基大学Yang等人[74]研究了甲苯和己烷透镜在去离子水表面的蒸发行为,得到了透镜的使用寿命、最大直径随初始体积和液体温度变化的关系,为两相流液体镜头的设计提供指导。兰州大学张晓萍等人[75]展示的红外可变焦离子液体镜头,可以克服水基液体造成的蒸发和热稳定性差等问题,同时在可见光和近红外波长范围可保持良好的光学透明度。此外,研究人员对于高分子介电凝胶自适应微透镜以及超薄平面“超透镜”的研究[76-79],克服了由于液体蒸发现象对镜头成像的影响。

    • 液滴的重力效应会使透镜产生像差,影响镜头的成像质量。研究表明,当液滴体积接近微升尺度或者透镜孔径不大于1 mm时,液体的表面张力能够抵消重力的作用,镜头的重力效应可忽略。此外,如果液滴外部充满另一种不相容液体,有助于减弱镜头的重力效应[80-82]。四川大学王琼华等人[83]选用光学凝胶(密度为1.110 g/cm3)为透镜介质,并在侧腔填充20%的氯化锂溶液(密度为1.115 g/cm3),通过液体密度匹配有效克服了重力的影响,减小了镜头的成像像差。此外,镜头的弹性膜受重力影响产生的变形也将引起成像像差。上海理工大学张薇等人[84]通过有限元分析,模拟了重力作用下透镜的初始变形,研究了透镜直径与重力引起的波前像差的关系。结果显示,当透镜孔径小于或等于5 mm时,重力引起的波前像差可以忽略。捷克理工大学POKORNY等人[85]推导出了轴对称液体镜头膜变形的一般计算公式和数值方法,可在光学系统设计中对基于弹性薄膜的液体透镜进行准确建模,并精确分析系统的成像特性。苏州大学乔文等人[86]建立了二维轴对称透镜模型,对非均匀膜的非线性变形进行了理论研究,同时提出了一种通过铝制模具加工非均质膜的新方法,并采用光学相干层析成像(OCT)系统测量了透镜轮廓的动态变化,得到非球面液体透镜的锥系数与透镜变形量之间的曲线关系。德国弗莱堡大学Zhao等人[57]通过计算机辅助设计了一种非均匀膜厚的液体可调非球面透镜,与传统液体变焦透镜相比,其波前像差减小了两个数量级。

    • 像差是评价透镜成像质量一个重要参数,也是镜头设计中需要重点考察的指标。南京邮电大学孔梅梅等人[87]借助拉普拉斯方程,对含有非球面界面的液体透镜进行了成像分析。结果显示,相比于球面,非球面界面液体透镜的成像质量得到很好改善。美国科罗拉多大学Zohrabi等人[88]借助COMSOL、MATLAB和ZEMAX数值模拟软件对基于介质上电润湿技术的多电极液体变焦镜头的两相流模型、平衡状态时液体界面形状以及成像特性分别进行仿真计算和优化,证实了多电极结构电润湿变焦镜头对波前像差校正的有效性。荷兰特文特大学的Mishra等人[89]使用水和油对两相流液体镜头进行研究。以静水压力和麦克斯韦应力作为两个单独控制参数,调整两种不混溶液体之间的界面形状,从而调节油水界面的近轴曲率和椭圆度,独立控制镜头的焦距和球差。加拿大拉瓦尔大学的Tigran等人[90]将图案化电极对称分割成若干部分,实现了电压驱动小孔径液晶透镜波前像差的校正。浙江大学的王宣银等人[58]提出了一种基于多流道结构的液体压力调控的变焦镜头,通过在系统光轴上布置多个透镜使成像畸变小于3%。

    • 迄今报道的液体变焦镜头多为独立的光学元件,需要额外提供光源和感光器件。随着对系统集成化和小型化的需求越来越多,研究人员更加着重研究将液体变焦镜头集成于光学成像设备,推动其商业化进程。上海理工大学张薇等人[91]将可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计,在保证分辨率的同时,扩大了系统景深。华南师范大学杨思华等人[92]开发的基于液体镜头的不规则胃肠道成像的自聚焦光声内窥镜,解决了探头离焦扫描导致横向分辨率下降的问题,并在家兔直肠切除实验中得到验证。上海徕卡显微系统有限公司张祥翔[93]将Optotune公司生产的液体变焦透镜集成在20倍显微系统光路中,使系统的调焦速度低至15 ms,大大提高了系统的工作效率。四川大学王琼华等人[94]使用3个电润湿透镜和两个电驱动液体光学快门设计的液体变焦系统,实现大范围连续变焦和高分辨率成像。此外,液体变焦镜头还在光纤通讯、屈光度测量和层析成像等方面得到研究与应用[95-97]

    • 液体变焦镜头无需复杂的机械部件,大大简化了光学成像系统结构,符合智能制造装备的发展趋势。本文介绍了物性控制和机械驱动两种不同液体变焦镜头的驱动机制,并报道了其在光流控芯片集成方面的研究进展。物性控制式液体镜头,通过电场调控液晶材料的分子取向,以及基于介电泳、电化学和电润湿原理的液滴操纵等方式实现变焦功能。该类变焦系统具有体积小、噪声小、响应快和成本低等特点。而机械驱动液体镜头是利用静电力、电磁力、腔体压力调节和环境参数来控制弹性薄膜曲率或填充介质的折射率,变焦系统受介质材料的导电率和介电常数等电特性参数的影响较小,并且结构简单,调焦范围大。随着先进医疗仪器、智慧安防设备及智能制造装备的快速发展,将对自适应液体变焦镜头提出更高的要求,促进液体变焦镜头在结构、制造和应用等方面快速优化升级。

      (1) 3D打印技术的应用。利用3D打印增材制造技术能够实现对腔体和流道等复杂结构的加工,进一步优化镜头结构,提高镜头的光学性能。

      (2) 电子芯片的集成。将CMOS和微处理器等电子芯片与液体镜头相结合,使光学变焦系统朝着集成化、紧凑化和小型化方向发展,有效缩短了系统的响应时间,提高图像的采集、评价和处理能力。

      (3) 智能传感的融合。通过在透镜腔体、弹性薄膜上布置柔性传感器对液体压力变化进行检测,有望实现对系统成像像差的实时反馈和补偿校正。

      通过调研液体变焦技术的发展现状,综合考虑与实际需求结合的重大问题,未来建议在系统反馈、像差校正、变焦响应和透镜材料等方面加强研究,为液体变焦系统的商业化发展奠定理论和应用基础。同时,加快对介电凝胶微透镜与超薄平面“超透镜”等方向的研究,着力增强现代智能变焦技术的多样性和适用性。

参考文献 (97)

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