撰稿?| OSANJU ? 劉 揚01導讀近日，來自美國加州大學伯克利分校的Rikky Muller教授團隊，在國際頂尖學術期刊《Light: Science & Applications》發表了題為“A micromirror array with annular partitioning for high-speed random-access axial focusing”的高水平論文。來自加州大學伯克利分校的Nathan Tessema Ersumo博士為本文的第一作者，Rikky Muller教授為本文的通訊作者。此外，美國北卡羅來納大學、美國國家標準技術研究院物理測量實驗室也對該成果做出了巨大貢獻。Rikky Muller教授團隊通過利用低剛性微鏡的散焦相位輪廓的魯棒性特征，解決了傳統顯微鏡在高速、駐留能力和輕量化驅動相互沖突的缺點，實現了一種通用的隨機訪問式軸向聚焦系統。該研究目前已得到了美國能源部科學辦公室的支持與資助。02研究背景

動態軸向聚焦功能最近在顯微鏡，增強/虛擬現實(AR / VR)，自適應光學和材料處理中得到了廣泛的應用。當前，最流行的動態軸向聚焦方法是通過變形或重新定向光流體，彈性體或基于液晶的透鏡組件來實現聚焦調整。盡管此類技術提供了簡單的驅動機制，但相對于隨附的光學組件，尤其是橫向掃描工具，其聚焦速率難以匹配。

加快軸向聚焦的一般策略是采用快速振蕩系統連續掃過一定深度。例如，可調聲梯度指數折射(TAG)透鏡，但是，已有的研究結果表明了實現這種速度的振蕩行為是有限制的，這對于需要較短的切換時間以及在特定深度需要更長的保持時間的應用至關重要。

另一種方法是通過微機電系統(MEMS)來提高軸向聚焦速度，微機電系統可以規避振蕩行為的限制。但是，基于MEMS的軸向聚焦系統無法適應駐留能力操作，解決該缺陷的主流方法是將有源MEMS陣列以環形方式劃分為可獨立尋址的環，小單元結構的快速響應時間和一致的驅動性能使像素分割比環形分割更可取。然而，對當前可用的MEMS陣列的調查揭示了現有的基于陣列的解決方案并不理想地適用于靈活和通用的軸向聚焦。因此，現有的研究成果仍然沒有滿足對高速軸向聚焦工具的需求，不能同時具備通用用途的特征(包括偏振的獨立性，在寬波長范圍內的可操作性和駐留能力)。

03創新研究

Rikky Muller教授團隊實現了一種基于低剛性微鏡的通用隨機訪問式軸向聚焦系統，該系統通過在用于離散徑向相位控制的環形分區與用于均勻和高速驅動行為的2D周期性微鏡平鋪之間取得平衡來解決傳統聚焦系統在高速、駐留能力和輕量化驅動相互沖突的缺點。

圖1 徑向分隔的變焦微鏡陣列的工作原理示意圖。通過可獨立尋址的環，可以產生相位包裹的凹相和凸相輪廓，以便將光沿光軸z動態聚焦到不同深度。給定焦距f的偏移透鏡與陣列結合使用，以便在陣列的所有環上保持相位均勻時將其聚焦在默認位置z = 0上。

從幾何學上講，該系統由直徑為8.2 mm的活塞運動，48μm節距的微鏡像素陣列組成，可為小于1100 nm的波長提供2π相移，并在64.8μs(即15.44 kHz刷新率)下建立10-90％。

圖2 單位微鏡像素的制作和驅動原理。(a)正交交錯像素平鋪幾何形狀的俯視圖，其制造橫截面的位置在(b~e)中用彩色線表示。(b~e)在沉積和圖案化以下層之后的制造橫截面：(b)多晶硅0，(c)多晶硅1，(d)多晶硅2和(e)金。(f~e)靜止和驅動下的微鏡的等軸測圖和矢狀圖，沿位移方向放大了比例。

其中，圓形微鏡陣列用來形成聚焦系統的有效區域，電壓驅動平行板通過靜電激勵產生在陣列的23852個微鏡像素點上相移所需的活塞運動。重要的是，微鏡電連接到32個可獨立尋址的環形環中，并且微鏡懸架的剛度針對低壓驅動(<30V)進行了優化。因此，與32通道現成的數模轉換器(DAC)的緊湊集成使系統能夠通過簡單、統一的驅動方案實現完全聚焦操作。盡管懸掛方案的較高靈敏度會增加對過程變化的敏感性，并導致跨像素的驅動行為出現一些偏差，但徑向變化的離散步長相位輪廓的原始性質使系統可以受益于給定環中多達數百個像素的平均效果。

此外，像素結構和平鋪方案的設計可確保在保形沉積約束下保持微鏡平面性的系統化布線過程，并提供防止電極接觸的機械擋塊。最后，將鏡行程設計為在涵蓋紫外線，可見光和部分近紅外區域的光譜范圍內，允許在高達1100nm的波長范圍內進行2π相移。

圖3 通過數字全息顯微鏡獲得的像素級穩態和動態表征結果。(a)測得的穩態位移與施加電壓的關系。彩色曲線對應于陣列中各個像素的單個像素測量值。(b)通過施加具有10 V階躍的1 kHz方波電壓信號并通過改變偏移量以增加位移范圍的方法，通過頻閃測量得到的像素的平均沉降行為。

研究人員通過光學實驗表明，該陣列具有寬廣的聚焦范圍，并具有針對29個不同的可分辨深度平面的測量能力。總體而言，所提出的陣列結構的功能為解決傳統聚焦系統在高速、駐留能力和輕量化驅動之間的沖突提供了新的方法，可以應用于神經生物學中的高通量單細胞靶向以及在AR / VR中傳遞密集的3D視覺信息。

圖4 光學聚焦性能結果。(a-b)532 nm(a)和980 nm(b)光源沿光軸投影的峰值強度值的模擬和實驗結果。每條彩色線對應一個不同的應用相位掩模，效率η作為插圖包括在內。(c-d)對于所有使用532 nm(c)和980 nm(d)源的相位掩模，獲取的Z-stacks沿XZ平面和YZ平面的橫向投影。如提供的比例尺所示，橫向尺寸(X和Z)的比例與Z軸比例不同。(e-f)沿X，Y和Z尺寸的光斑尺寸和位置測量值與532 nm(e)和980 nm(f)光源的模擬值進行了比較。測量條和模擬包絡線的跨度對應于以半高全寬測量的光斑尺寸值。X形測量標記對應于左側圖的沿z的峰值強度位置，以及對應右側圖的距光軸的峰值強度距離。

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文章信息：該研究成果以"A micromirror array with annular partitioning for high-speed random-access axial focusing"為題在線發表在Light: Science & Applications。論文全文下載地址：https://doi.org/10.1038/s41377-020-00420-6?【點這里查看原文】?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

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《Light：Science & Applications》

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總結

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