高速變焦:可調諧光學系統

2020-12-03 澎湃新聞

原創 長光所Light中心 中國光學

撰稿人 | Yue（哈工大 博士生）

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. Photonics 14, 533–542 (2020).

論文地址

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

【】

歡迎課題組投遞成果宣傳稿

轉載/合作/課題組投稿，請加微信：447882024

往期推薦

走進新刊

開 放 投 稿：Light:Advanced Manufacturing

ISSN 2689-9620

期 刊 網 站：www.light-am.com

敬請期待

新 刊：eLight

ISSN 2662-8643

即 將 隆 重 上 線

這是中國光學發布的第1509篇，如果你覺得有幫助，轉發朋友圈是對我們最大的認可

【】

☞ 本文編輯：趙陽

☞ 來源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心

聲明：本文所用視頻、圖片、文字如涉及版權問題，請第一時間告知，我們將根據您提供的證明材料確認版權並按國家標準支付稿酬或立即刪除.郵箱：zhaoyang789@ciomp.ac.cn

原標題：《高速變焦：可調諧光學系統》

閱讀原文

相關焦點

  • 新型智能透鏡:可動態調節,實現複雜光學功能!
    導讀據西班牙光子科學研究所官網近日報導，該研究所與法國巴黎視覺研究所的研究人員密切合作開發出一種動態可調諧的智能透鏡，它幾乎可以實現任何複雜的光學功能。（圖片來源：蘋果公司）改善光學圖像質量的重要性，以及智慧型手機越來越薄的趨勢，迫使生產商們增加攝像頭的數量，舉幾個例子來說，可以為手機提供更好的變焦、低曝光高質量攝影、半身照。但是向小型化的光學裝置增加額外的透鏡，並驅動光線通過電子器件聚焦，並不像看起來那麼容易，特別是在小尺度上或者如此狹窄的空間中。
  • 聲光可調諧濾波器
    目前聲光可調諧濾波器主要應用於光通信領域。它具有調諧速度快，可調諧範圍寬、插入損耗低和通道驅動功率低等優點，並且可以實現多波長同時選擇，因此在未來的波分復用網絡中極有應用潛力。此外，聲光可調諧濾波器還常用於半導體雷射器快速可調濾光，以及快速掃描光譜儀和輻射計、多普影像、光探測、Raman散射測量、分光儀等。
  • 變焦僅看倍數 一篇文章告訴你手機10倍光學變焦是什麼概念?
    拍攝人像、風景、建築乃至天空、月亮等，都離不開變焦的支持。大大增強構圖創造性和想像力的變焦，早已受到人們的青睞。目前，變焦主要分為數字變焦、混合光學變焦、光學變焦。但不同形式的變焦不能一概而論，有著非常大的區別。其中，數字變焦是藉助手機相機模組的處理器，將照片中的每個像素麵積增大，從而達到放大目的。
  • DC VARIO-ELMARIT f2.8 3倍光學變焦鏡頭
    新型DMC-FS3GK配備了iA（智能自動）模式，該模式包含5項輔助拍攝功能：光學防抖、智能ISO控制、智能場景選擇器、人臉識別和快速AF。其中光學防抖可以抑制手部抖動，智能ISO控制可以避免動態模糊。智能場景選擇器可以在肖像、風景、微距、夜景肖像和夜景等最常用的場景模式中自動進行選擇，設定適合的場景模式。人臉識別系統可以檢測人的面部圖像，自動設定聚焦和適當的曝光。
  • 什麼是光學變焦和數碼變焦,他們有什麼區別呢?
    在如今智慧型手機上的攝像頭數量越來越多，像素越來越高，成像素質越來越好，適用場景越來越豐富的情況下，大家可能每次發布會都會聽到廠商介紹我們的新款手機支持多少倍的光學變焦和多少倍的數碼變焦，那麼這裡面的光學變焦和數碼變焦是什麼呢？又有什麼區別呢？
  • OPPO官宣的10倍光學變焦技術,並非等效變焦,拍照能力不可小覷
    手機的10倍光學變焦相信很多人都聽過，比如說小米10至尊紀念版的10倍等效光學變焦（10倍光學混合變焦），小米這裡說的10倍等效光學變焦，實際上只是5倍光學變焦，等效焦段120mm。那麼OPPO的光學變焦有什麼不同呢？
  • 認識鏡頭:數碼變焦與光學變焦,了解它們的區別,看看影響是什麼
    了解鏡頭之前，要先了解數碼變焦和光學變焦的區別，只有了解這些知識後，你才能發揮手中設備的優勢，拍出質量更高的攝影作品。光學變焦與數碼變焦區別變焦是將遠處物體放大的一種技術手段。數位相機有使用光學變焦和數碼變焦這兩種，先拿光學變焦來說，它是通過鏡頭來實現焦距的變化，是物理變焦。而數碼變焦只是改變了成像面的大小，在感光器件垂直向上變化，影響的是視角變化，實際焦距沒有發生改變。
  • 鯰魚效應重演 從7Plus×光學變焦想到的
    Plus在攝像頭和拍照功能方面的提升是空前的，特別是後者在iPhone產品線上第一次引入了雙後置攝像頭和光學變焦的組合。提到光學變焦，不如我們就來解讀一下iPhone7 Plus上面的光學變焦究竟是怎麼回事，它和我們認知裡的光學變焦一樣嗎？    我們知道，人眼對焦是靠睫狀肌的拉伸來改變晶狀體的形狀以看清更遠的物體的。然而這終究有一個限度，這時候人們就想到了用鏡頭來實現這一目的。可變焦的鏡頭能夠輕鬆地將遠處的物體拉至眼前，免去了人們「靠走」的麻煩。
  • 放大像素不靠譜 編輯淺析光學/數碼變焦
    可變焦的鏡頭能夠輕鬆地將遠處的物體拉至眼前，免去了人們「靠走」的麻煩。下面筆者就簡單普及一下光學變焦與數碼變焦之間的區別。鏡片組移動成就光學變焦    光學變焦這個詞聽起來似乎深奧，其實解釋起來相對容易一些，我們用一張圖來解釋下。
  • 波長可調諧雷射器
    波長可調諧雷射器不僅可以作為DWDM的備份光源，還是智能光網絡的關鍵因素。另外，在相干光模塊中，波長可調諧雷射器作為本振光光源也不可或缺；5G的應用中，波長可調的tunable光模塊也備受期待。 波長可調諧雷射器的調諧原理是通過各種技術手段直接或間接改變雷射器腔長，使諧振腔中諧振模式的位置發生微小移動，並通過波長選擇器件選擇出特定的波長。
  • 華為P40或將實現高倍光學變焦
    眾所周知，在物理定律的限制下，智慧型手機很難將更長的變焦鏡頭安裝到其纖薄的機身中，手機製造商就算使用了比平常更小的圖像傳感器和巧妙的鏡頭設計，傳統的高端智慧型手機只能實現2倍或3倍光學變焦係數。華為在P30 Pro上使用摺疊式鏡頭（也叫潛望式）來突破這個局限：它將圖像傳感器垂直放置在手機內，並沿著一條與機身平行的光學軸線對準鏡頭，然後使用一面反射鏡將進入攝像頭內的光線反射到鏡頭和圖像傳感器上，如此一來即可創造出比傳統攝像頭的安裝方向（即在手機表面上朝向外部）更長的等效焦距。
  • 發燒學堂:往手機裡放光學變焦到底有多難
    攝影界最拉風的時候莫過於公園裡眾大爺大媽一齊秀出他們的長槍短炮的時候，縱使平常在景區裡你的智慧型手機輕便好用畫質還不錯最重要的是分享朋友圈又快又很難看出跟他們手裡的單反拍出的有啥區別，但人家的主題一旦上升到近可打鳥遠可拍飛機，你就只能躲的遠遠的了……沒錯，儘管手機已經接管了無數數碼產品甚至相機的功能，但長焦鏡頭的存在依然是越不過的坎兒
  • 填補光學變焦技術空白 新思考築造Actuator「新利器」
    3月20日，中國VCM馬達領軍廠家新思考總經理耿德良對第一手機界研究院透露，2018年底會有通訊終端合作夥伴將採用潛望式光學變焦方案，屆時新思考會此項的唯一供應商。這距離OPPO在2017MWC上發布5倍光學變焦系統，即5.7mm的潛望式鏡頭，不過13個月的時間。
  • 華為P40 Pro的10倍光學變焦是怎樣實現的?
    ，可稱為迄今為止華為影像功力的最高水平。XQVednc眾所周知，對比數字、混合、光學這三種變焦方式，光學變焦無疑是的成像畫質最好，但由於其結構最為複雜、佔據面積最大，因此當前專注於遠攝的廠商所面臨的問題，是在使用光學變焦的基礎上最大限度地削減、平衡相機模組的厚度，在有限的內部空間裡，提升手機遠距離拍攝的畫面質量。
  • 級聯可調諧諧振器可對光的軌道角動量狀態進行主動分選
  • Galaxy S11,搭載的5倍光學變焦原理是?潛望鏡
    根據13日業內消息，Galaxy S11上將搭載1億800萬像素的圖像傳感器，並且搭配5倍光學變焦等大幅度的更新。其中，比較受關注的就是5倍光學變焦。使用軟體的數字變焦，在放大圖像時會發生畫質受損，利用2個以上的鏡片物理性的移動放大拍攝對象的技術，光學變焦，是在圖像無損的情況下進行放大的功能。 如果達到5倍光學變焦，那麼就是說 圖片放大5倍，像素也不會受損。截止目前，主要的一些廠商的旗艦智慧型手機中，通常只有2倍光學變焦。
  • 淘汰變焦鏡頭?NVIDIA「計算變焦」靠走就能變焦
    對焦基本靠手，變焦基本靠走，虛化基本靠抖，防抖基本靠肘，測光基本靠瞅，除塵基本靠口，模特基本沒有，全因鏡頭太狗。這是攝影圈裡一句耳熟能詳的調侃語，可萬萬沒想到的是NVIDIA聯合加利福利亞大學拿出了真得靠走的計算變焦技術（Computational Zoom）。
  • 三星Galaxy S11渲染圖曝光:5倍光學變焦+光譜儀
    剛剛，外網phone arena曝光了一組三星Galaxy S11新機的渲染圖，爆料顯示三星Galaxy S11將配備一臺「光譜儀」，可用來測量食物中的糖分含量，機身更加圓潤，且有非常漂亮的漸變色調和5倍光學變焦的後置相機。
  • OPPO的10倍混合光學變焦技術憑什麼這麼強?
    事實上，任何設備想要在拍攝的時候兼顧近遠景，都需要和變焦打交道，支持變焦之後，拍攝的時候可以廣角，也可以長焦，拍攝的體驗會大大提升。但手機不同於相機，想要在手機這麼小的體積中放進光學變焦模塊難度非常大。我們經常可以看到攝影師們的相機，搭配著長長的長焦鏡頭，這主要就是因為光學變焦模塊比較大。
  • 佳能發布遠攝變焦鏡頭RF70-200mm F4 L IS USM
    佳能發布了EOS R系統RF鏡頭新品遠攝變焦鏡頭RF70-200mm F4 L IS USM。    得益於RF系統的短後對焦距離設計，通過在更靠近成像平面的位置配置大口徑鏡片來減小整個光學系統的尺寸。