《自然—光子学》报道可调焦光流控复合微透镜

2011-10-09 18:28 来源: 科学网
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  2011年10月出版的《自然—光子学》以新闻方式报道了北京大学生物动态光学成像中心黄岩谊研究组的最新成果——基于光流控技术的高精度可调焦复合微透镜。

  在器件越来越微型化的今天,为了降低成本,减少人力投入,削减废料产生,提高通量和自动化程度,提高实验精准度和可重复性,现代科学研究常常需要将各种科学实验集成在一块小芯片上,即“芯片上的实验室”。光流控学(Optofluidics)是将微流控技术与微型光学器件交叉集成的一门新兴学科。它为在芯片平台上产生、控制以及处理光信号提供了一种独特的解决方案。在数量众多的光流控学器件中,微透镜是一个重要的研究目标,它们可以应用于光刻、光开关和光学成像领域。近年来,多种基于不同原理的自适应式液体微透镜已经在多个领域特别是生命科学中得到了应用,例如细胞分选、单细胞分析等等。当这类自适应式液体微镜用于与成像相关的研究时,其变焦速度、范围以及精确度成为衡量性能优劣的关键指标。

  在早期,科学家通过更换微镜芯片的液体来调节折射率,从而实现变焦功能。这其中存在的主要问题是器件的响应速度较慢。后来科学家发展出基于PDMS(聚二甲基硅氧烷)弹性高分子材料的微镜芯片。在这种芯片中,液体被灌入一个个由PDMS薄膜构成的微腔中以形成微镜。通过改变微镜单元的形状也就是曲率半径来实现变焦。但这种设计高度依赖外接压力源的稳定性,存在变焦不够精准、可控性不够好等问题。

  黄岩谊研究组刚刚在《芯片上的实验室》(Lab on a Chip)第11期发表论文“Discretely tunable optofluidic compound microlenses”。他们利用PDMS,通过多层软光刻技术研制出一种新型的、具有大变焦比和焦距高精确度可调的液体复合微透镜集成芯片。该微透镜结构包含三个联动的微镜单元,里面可以根据需求填充合适的光学介质。在控制层阀门的数字式调控下,各个微镜单元产生可调控的形变,一组尺寸700微米的微镜的焦距可以在数厘米至数百微米之间精确变换,实现可控的大变焦比和显微成像。

  相比以前报道的各类光学芯片,这种新型复合微镜具有几个方面的优势,包括高度自动化、大变焦比(7x)、更广的可调视角(15~80度)、大的应用范围(从毫米以下级到厘米级)、大数值孔径(最大可达0.44)、以及更小的镜头尺寸(直径数百微米)以及更短的响应时间(约100毫秒)。

  黄岩谊研究员在接受《自然—光子学》采访时说,该项技术不仅解决了过去十多年来光流控微透镜研究者所面临的多个棘手问题,而且为构建其他类型的可调节光学微型器件提供了新的可能性。