可調諧光學系統一直以來就是三維（3D）生物醫學成像、工業製造和先進光譜學等領域至關重要的組成部分。而設計可調諧光學系統的核心問題便是如何快速控制光在三維空間的焦點位置，只有實現高速對焦控制才能在成像領域提高對目標3D檢索的速率、在雷射加工領域提高其加工產量。
雖然目前可以利用反射鏡和光偏轉器實現光在x和y方向的快速控制，但基於光學部件或機械移動樣品的傳統方法對z焦點方向的控制速度比沿x和y方向慢三個數量級。因此，需要進一步提高可調諧光學系統在z焦點方向的控制速度，以實現真正的三維快速可調諧光學系統。
近日，普林斯頓大學的Craig B. Arnold等人在Nature Photonics上發表綜述，題為「Variable optical elements for fast focus control」，分析和介紹了實現亞毫秒和微秒響應時間的高速變焦光學元件的關鍵技術，回顧了該技術發展在相關技術領域中的應用，並討論了該技術的重要發展前景。
一、高速變焦光學系統關鍵技術
目前，實現高速變焦光學系統的關鍵技術主要朝兩個方向發展：一是改善材料的響應時間；二是應用新型的調諧技術。如表1所示，為基於不同工作原理的可調諧光學系統。在文裡，作者對三種最新技術：鐵電液晶透鏡，可調聲學梯度透鏡和自適應光學技術進行了詳細介紹。
表源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Table 1
（1）鐵電液晶透鏡
液晶（LC）透鏡可以通過改變外加電場的形式來改變LC方向而產生光學各向異性和介電各向異性，從而獲得可調諧的折射率，利用該特性可以通過使用具有彎曲表面的LC或通過使用帶有圖案化電極的軸對稱非均勻電場來實現焦距的控制。
圖1 向列相液晶與鐵電液晶的示意圖
圖源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Fig 1(b)
雖然傳統的向列相LC透鏡驅動方法響應時間較慢，約為幾十到數百毫秒，不足以達到高速變焦的效果，但研究人員發現利用鐵電液晶透鏡便能實現高速變焦的光學元件，如圖1所示，這是由於鐵電液晶呈現出具有明確定義的層和手性特性，可以對電場產生自發極化響應，從而可以實現亞秒級別的光變焦時間。
（2）可調聲學梯度透鏡
可調聲學梯度（TAG）透鏡，也稱為超聲透鏡，其原理是利用壓電材料產生的聲波來徑向激勵具有兩個平板玻璃窗口的充滿折射流體的圓柱腔，並獲得焦距的超高速變化。
圖2 可調聲學梯度透鏡原理圖
圖源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Fig 1(c)
如圖2所示，圓柱壓電體以較強的徑向振動模式在平板玻璃壁上產生具有某一驅動頻率（t=0）的聲波，並在兩個平板玻璃之間來回傳播，相互幹擾從而達到穩定狀態，並在折射流體中產生一定密度的駐波震蕩。因此可以通過控制驅動頻率的方式來獲得特定的駐波密度震蕩，從而獲得可以梯度連續變化的折射率及焦距，且其變焦時間可低至微妙甚至更短的時間。
（3）自適應光學技術
利用電流鏡或自適應光學元件（例如可變形鏡和空間光調製器）同樣可以實現快速變焦的功能。
圖3 傳統機械變焦透鏡與自適應變焦透鏡對比圖
圖源：Nature Photonics, 2020, 14(9): 533-542.Fig 1(d)
如圖3所示，左圖為傳統的Alvarez透鏡，該透鏡通過兩個折射透鏡的相對平移來實現對焦點的控制，但這種方式的響應時間較長，無法滿足高速調焦的要求。為了進一步降低其響應時間，因斯布魯克醫科大學的Martin Bawart等人在兩個折射透鏡之間放置一個振鏡，並通過光束偏轉的方式實現對焦點的控制，如圖3右所示，將響應時間降低到了亞毫米級別。
二、高速變焦光學系統的應用
如上所述，新興的技術和材料促進了高速變焦系統的發展與創新，但這種技術的發展在實際科學和工業領域的應用意義到底如何呢？
（1）快速3D成像
如今，2D平面信息可以通過高速相機或其他光學系統輕而易舉的獲得，而3D立體信息通常是通過不同焦平面圖像序列的堆棧來獲得，因此高速變焦光學系統的發展對3D成像就顯得尤為重要。
目前已有研究表明可以將高速變焦光學系統應用於光片螢光顯微鏡、定量相顯微鏡和明場顯微鏡中，並且由於高速變焦光學系統賦予的低響應時間，最大程度上縮短了重新聚焦的等待時間，使得光學系統在每個脈衝照明下均可捕獲圖像，從而實現目標3D信息的快速獲取。
（2）先進光譜學
隨著單分子定位技術、單粒子跟蹤、超解析度螢光顯微技術和螢光光譜學的發展，對可採集定量數據的光學技術也提出了更為嚴苛的要求，即通常需要完成對目標圖像細節、標本速度、擴散係數及其他重要參數的提取和量化。
在這種情況下，利用高速變焦光學系統可以在不同焦平面收集信息，並能在軸向範圍內追蹤多個微尺度和納米尺度的物體，從而可以提高所採集數據的質量並減少測量參數的不確定性，進而達到上述技術的嚴苛要求。
此外，利用高速變焦光學系統個高解析度和高速數據採集的優勢可以使其在工業製造中進行更為詳細的計量分析，從而提高快速原型設計和質量控制的能力。
（3）雷射加工
通常，只有將光束聚焦後才能將其應用於高分辨成像、光學陷波、3D列印、雷射加工和光通信等領域，然而，當光束聚焦成微米大小光斑的同時不可避免地縮小了其景深範圍，在一定程度上影響了其應用範圍。
以雷射加工為例，當對高度差大於其景深的非平坦表面進行雷射加工時，就需要將加工表面按照高度分為多個加工步驟，並在每個加工步驟之前都需要重新進行聚焦，大大降低了雷射加工的工作效率。
而高速變焦光學系統恰能解決這一難題，僅通過焦點的快速控制便可完成對不同高度平面的加工處理，從而實現超高的雷射加工速率，此外，該系統還可以顯著提高微秒級時間尺度下的微加工能力。
圖4 變焦光學系統在開啟和關閉時的加工結果示意圖
圖源：Applied Physics Letters, 2013, 102(6): 061113. Fig 4
如圖4所示，為變焦光學系統在開啟和關閉時對四個不同高度的矽表面進行加工的結果示意圖，其中變焦光學系統關閉時，僅能在一個高度的矽表面進行加工，而當系統開啟時，便可以在四個高度的矽表面均進行加工。
（4）生物光學成像
當對生物樣品進行光學成像時，將活細胞或者生物體暴露於光環境下會損害其生物樣品的活性，這種現象通常成為光毒性，並且對帶有螢光團或其他螢光探針標記的樣品進行實時成像時會加劇光毒性。此外，使用較高的激發強度來維持較強的螢光通量也會增加光子誘導損傷的風險，還有可能導致光漂白，即螢光信號的消失。
而高速變焦光學系統便是近年來防止光漂白和光毒性的有效解決方案之一，目前該方案主要分為兩個途徑：第一條途徑是利用焦點的空間調控，即使用變焦光學系統僅對目標區域進行照明，保持其他部分為未曝光狀態，減少傳遞給樣品的激發功率，從而降低光毒性和光漂白作用；第二條途徑是利用焦點的時間調控，即使用高速變焦光學系統沿軸向方向對每個部分進行聚焦，並將響應時間控制在微秒時間尺度上，使響應時間小於弛豫時間，從而降低光漂白的可能性。
三、高速變焦光學系統的發展前景
高速變焦光學系統以其高速且精確改變焦點的能力為3D生物醫學成像，工業製造，光譜學以及其他光學領域的應用打開了新的大門。
在未來，隨著電子技術和光學探測器的發展，將進一步加快變焦光學系統的發展，且該技術的影響將會蔓延至其他各個領域，例如：高速變焦光學系統的小型化與光流體學的結合對超高速光通信技術的影響。此外，隨著新型材料特性和新型驅動方法的發現，新型高速變焦光學系統及其應用將如雨後春筍般在科學界及工業界中浮現。
文章信息
Kang, S., Duocastella, M. & Arnold, C.B. Variable optical elements for fast focus control.Nat. Photonics14, 533–542 (2020).
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