中国光学十大进展：可调谐微透镜阵列的研究进展

在光学世界中，微透镜阵列（Microlens Array, MLA）一直扮演着不可或缺的角色。它们以其高分辨率、大景深和紧凑的结构，广泛应用于成像系统、光通信、传感检测等领域。然而，传统的微透镜阵列有一个显著的局限——焦距固定，无法适应动态变化的成像需求。随着智能材料、微纳制造技术和光电控制方法的飞速发展，可调谐微透镜阵列应运而生，成为新一代智能光学系统的核心元件。它不仅克服了固定焦距的限制，更在成像灵活性、系统集成度和功能多样性方面实现了重大突破。

在《激光与光电子学进展》2024年第10期上，孙智娟、韩冬冬、张永来等研究人员发表了题为《可调谐微透镜阵列的研究进展》的特邀综述文章，系统阐述了这一前沿技术的最新进展。基于他们的研究成果，我们可以深入了解微透镜阵列技术如何从静态走向动态，从单一功能迈向智能化发展。

（如果你对本文感兴趣，想深入了解相关技术细节，需要原文，请私信作者沟通交流）

一、什么是可调谐微透镜阵列？

微透镜阵列是由成千上万个微米级透镜按一定规律排列而成的光学元件，其最初的设计灵感来源于昆虫的复眼结构。这类结构能够同时捕获多角度光线，实现广角成像和景深扩展。然而，在面对复杂动态环境时，固定焦距的限制显得尤为突出。可调谐微透镜阵列通过引入外部控制机制，使得微透镜的焦距、曲率甚至折射率可以实时调节，从而适应不同的成像条件和功能需求。

目前，实现调谐的方式主要分为三类：通过改变微透镜的物理形状、通过调节材料的折射率，以及基于超表面（Metasurface）的相位调控。这些方法各有特点，适用于不同的应用场景，也推动了微透镜技术从"静态"向"动态"、从"被动"向"智能"的转变。

二、形状可调：让微透镜"动"起来

1. 电润湿法（EWOD）：电压控制曲率

电润湿法是一种基于液滴行为调控的技术。当在导电基底上施加电压时，液滴与基底之间的接触角会发生变化，从而导致液滴曲率改变，进而调节焦距。这种方法具有响应速度快（可达毫秒级）、调节范围大、可逆性好的优点。

电润湿法制备可调谐微透镜阵列。（a）电润湿法（EWOD）原理示意图；（b）使用 EWOD 在施加一定外部电压条件下制备的凹微透镜阵列 SEM 图像；（c）利用稳定的锥形喷气打印模式打印微电极和利用电子喷气打印的滴注模式打印液滴微透镜的示意图；（d）在不同电压下 EWOD 机制诱导的 MLAs 中透镜的聚焦光斑的归一化光强分布；（e）硫磺液滴在金电极上的润湿、合并、生长和去润湿过程的示意图

例如，研究人员通过喷墨打印技术将液滴微透镜精确沉积在平面电极上，每个透镜对应一个独立电极，实现了对单个透镜的独立控制。这种方式避免了透镜之间的串扰，提升了系统的调控精度。此外，电润湿技术还可用于操控微流液滴的合并、分裂和运动，为微流控光学和Lab-on-a-chip系统提供了新的实现途径。

尽管如此，电润湿技术也面临一些挑战，如介电层稳定性、接触角饱和现象以及长期使用的可靠性问题。未来的研究将致力于优化电极结构、开发新型介电材料，以提升其综合性能。

2. 力致变形：气压与液压驱动

通过外部机械力（如气压或液压）使柔性材料发生形变，是另一种常见的调谐方式。常用的材料包括聚二甲基硅氧烷（PDMS）、水凝胶等弹性体。这类方法特别适用于构建仿生复眼结构，能够实现大视场、可变焦的成像功能。

力致变形的微透镜阵列。（a）变焦复眼的制造过程示意图；（b）负压人工复眼的制造过程示意图；（c） PDMS 微球成像开关；（d）作为椭圆透镜的 PDMS 微珠成像

例如，一项研究将PDMS微透镜阵列与微流通道集成，通过调节注入的液体量，使原本平面的阵列转变为半球形结构，视场角可达180°，焦距可在3.03毫米至无穷远之间连续调节。这种变焦复眼结构结合了人类单眼与昆虫复眼的优点，在机器人视觉、全景监控等领域具有广阔前景。

另一种方式是通过负压吸引薄膜发生形变，从而改变曲率。这种方式结构简单、响应较快，但需要维持稳定的负压环境，对密封性和控制系统提出了较高要求。

3. 刺激响应材料：智能材料的魔法

智能材料能够在外部刺激（如pH、温度、电场、光等）下发生可控形变，这为微透镜的动态调谐提供了丰富的手段。例如，pH响应型蛋白质水凝胶在不同酸碱环境中会发生膨胀或收缩，从而改变透镜曲率。研究人员利用飞秒激光直写技术制备了蛋白质微透镜阵列，实现了在生物相容环境中的焦距调节，为内窥镜和生物成像提供了新可能。

pH 响应的 BSA 复眼。（a）~（d）不同 pH 值环境下的 BSA 复眼成像；（e）基于 SU-8/BSA的复眼的制造过程；（f）~（h） SU-8微透镜的三维激光共聚焦显微镜图像及其截面轮廓；（g）~（i）基于 SU-8/BSA的复合眼的三维激光共聚焦显微镜图像和其横截面

聚氯乙烯（PVC）凝胶则在电场作用下表现出快速的形变特性，可用于构建电调谐微透镜。通过设计多电极驱动结构，甚至可以实现多方向焦点独立调控，模拟人眼晶状体的调节机制，显著提升成像质量和适应性。

基于聚氯乙烯凝胶的电可重构自适应微透镜的电控制示意图和工作机制。（a） 使用 PCB 板的 PVC 凝胶透镜的组成；（b） 制备的环形电极设计示意图；（c） 压缩 PVC 凝胶以形成双凸透镜；（d） 独立操作扇形电极以改变焦距和焦点时的 PVC 凝胶透镜的三维微观形状；（e） 对图 4（d）施加电场得到的双凸微透镜上侧的表面轮廓

热响应材料（如甘油）在受热时发生膨胀，也可用于构建热驱动微透镜。结合光热转换材料（如石墨烯、氧化铟锡），还能实现红外光远程控焦，适用于特殊环境中的非接触调控。

尽管形状调谐方式灵活多样，但也存在一些共性问题，如形变过程中的像差增加、材料疲劳、响应一致性等，这些仍是当前研究的重点和难点。

三、折射率调谐：不动形貌，变其内核

与形状调谐不同，折射率调谐方式不改变微透镜的物理结构，而是通过调节材料的光学性质来实现焦距变化。这种方式通常像差更小、精度更高，适用于高分辨率成像系统。

1. 光流体微透镜：微流控与光学的融合

光流体技术将微流控通道与微透镜集成于同一芯片中，通过注入不同折射率的液体（如去离子水、乙醇、蔗糖溶液等）来改变系统的有效折射率，从而实现焦距调节。这种方式避免了机械运动带来的不稳定性和磨损，特别适合用于细胞成像、病理检测等生物医学领域。

光流体微透镜。（a）光流可调微透镜概念示意图。通过在通道中填充不同的介质，改变折射率对比度来控制聚焦特性；（b）双通道光流体微透镜阵列示意图；（c） 用于观察微流控通道中细胞流动的光流微透镜示意图；（d）由光流体微透镜捕获的红细胞图像和 MCF-7细胞的荧光图像

例如，研究人员利用飞秒激光辅助刻蚀技术在玻璃中制备出内置微透镜的三维光流体芯片，通过切换通道中的液体，实现了50–2500微米范围内的焦距调谐。另一项研究则在狭窄的微流通道中打印液滴微透镜，通过调节液体比例实现了三倍焦距变化，并成功用于观察细胞流动过程。

光流体微透镜的挑战在于液体材料的稳定性、通道设计的复杂性以及环境敏感性问题。未来随着微流控技术的进步，这类系统有望在便携式医疗设备和片上实验室中得到广泛应用。

2. 液晶微透镜：电场调控的偏振艺术

液晶材料具有光学各向异性，其分子排列方向在外加电场或温度变化下会发生改变，从而导致折射率分布变化。利用这一特性，可以构建电压可调的液晶微透镜。

液晶微透镜折射率调节原理示意图

这类透镜不仅焦距可调，还具有偏振敏感性，可用于实现多焦点、动态像差校正等功能。例如，通过预设液晶分子的排列模式，可以制备出双焦点或多焦点透镜；通过添加手性纳米粒子，还能实现圆偏振光响应，拓展了调谐维度。

液晶微透镜的制备工艺也日益多样，包括双光子聚合、纳米压印、光取向等先进技术，进一步提升了器件的集成度和功能多样性。然而，液晶材料的响应速度、驱动电压和光效率仍是需要优化的方向。

四、超透镜调谐：平面光学的革命

超透镜（Metalens）是一种基于超表面的二维光学元件，通过亚波长结构的阵列对光波前进行精密调控。与传统透镜相比，超透镜具有厚度小、重量轻、易集成等优点，并且能够实现宽带消色差、偏振调控等先进功能。

可调谐超透镜。（a）电可调偏振复用消色差介电超透镜示意图；（b）沿 x 轴和 y 轴方向施加拉伸力的可拉伸超透镜的示意图；（c）经过拉伸后 p 值分别为 450 nm、550 nm、650 nm、750 nm 的超透镜沿 z 轴（x=y=0）的透射光谱和相应的聚焦光强分布；（d）由一个固定的超透镜和可移动超透镜组成的可调谐超透镜，按照设计，两个透镜距离的微小变化就会导致焦距的巨大变化

超透镜的调谐通常通过改变元原子的几何形状、排列方式或材料相态来实现。例如，将超透镜与液晶层结合，可通过电压控制偏振态，实现焦距和聚焦效率的动态调节；利用相变材料（如GST、VO₂）的光学性质变化，可实现非易失性调谐；采用MEMS技术驱动超透镜位移，也能实现焦距的大范围调节。

可拉伸超透镜是另一项创新方向，通过在柔性基底上制备超表面，在拉伸过程中改变结构周期，从而实现焦距和色差的同步调控。这类器件为可穿戴光学、柔性显示等应用提供了新的可能性。

尽管超透镜技术仍处于实验室阶段，但其在集成化、轻量化和多功能化方面的优势，使其成为未来光学系统的重要发展方向。

五、应用前景：从实验室走向生活

可调谐微透镜阵列在多个领域展现出巨大的应用潜力：

微透镜阵列在成像系统中的应用。（a）相机主要功能结构配置示意图；（b）内窥镜原型的示意图和三维示意图，内窥镜末端集成了液体可调焦微型透镜，并通过红外光驱动

· 成像与检测：在光场相机中，可调微透镜可实现景深扩展和实时聚焦，提升三维重建精度；在医疗内窥镜中，可变焦透镜能够适应不同组织深度的成像需求，提高诊断准确性。

· 显示与交互：在AR/VR设备中，可调微透镜支持2D/3D模式切换，缓解视觉疲劳；在裸眼3D显示中，微透镜阵列提供多视角图像，增强沉浸感。

基于液晶微透镜的 2D/3D 显示转换。（a）液晶微透镜实现 2D/3D 显示转换示意图；（b）双凸透镜屈光度随电压变化的测量结果；（c） 3D 场景和 2D 图片在 2D/3D 显示模式下的显示效果

· 人工智能与机器人：用于机器视觉中的目标跟踪、场景感知、深度估计等任务，提升自主系统的环境适应能力。

· 生物与化学传感：结合微流控技术，用于细胞分析、蛋白质检测、环境监测等，实现高通量、高灵敏度的传感功能。

六、挑战与未来方向

尽管可调谐微透镜阵列技术取得了显著进展，但仍面临诸多挑战：

1. 制造工艺：高精度、大批量、低成本的制造技术尚未成熟，尤其是在柔性基底或复杂曲面上的集成仍具难度。

2. 响应性能：响应速度、稳定性和耐久性需进一步提升，以满足实时应用的需求。

3. 系统集成：如何将调谐元件与驱动电路、控制系统高效集成，是实现商业化应用的关键。

4. 多功能融合：未来需探索多物理场协同调谐（如电-光-力耦合），以实现更复杂的光学功能。

未来，随着新材料（如二维材料、铁电聚合物）、新工艺（如纳米3D打印、异构集成）和智能算法（如机器学习优化设计）的发展，可调谐微透镜阵列将进一步向高性能、低成本、多功能方向发展，成为智能光电子系统的核心组成部分。

结语

可调谐微透镜阵列代表了光学技术从"静态"到"动态"、从"单一"到"智能"的重要跃迁。它不仅是光学设计的一场革命，更是人工智能、生物医学、先进制造等多领域融合的典范。随着技术的不断成熟和应用场景的拓展，可调谐微透镜阵列有望成为下一代智能设备中的"智慧之眼"，为我们打开一个更加清晰、灵活和智能的光学世界。

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