一種新型便攜定量相位顯微鏡的研發

陳吉麗，唐禮浩，倪語丹，薄康瑩，孟雨涵，徐小青，王利群

（常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164）

0 引言

1948年，為了提高電子顯微鏡的分辨率和改進成像圖像質量，Dennis Gabor[1]第一次提出了全息術。從理論上來說，全息術主要有2個階段：1）第一階段。光波波前干涉記錄。2）第二階段。物波波前衍射再現。在當時沒有相干光源的情況下，Dennis Gabor基于高壓汞燈光源，成功拍攝出了第一張全息圖，并進行了第一張全息圖的再現。因此杰出工作，Dennis Gabor獲得了諾貝爾物理學獎。受限于當時光源相干性問題和同軸全息記錄的模式，導致原始像、共軛像和零級項完全重疊在一張全息圖上，進而引起全息圖像質量降低，成像物體效果并不理想。1960年，隨著激光器時代的到來，出現了相干光源，即激光光源，進一步推動了全息術的發展。1962年，Leith 和Upatnieks[2]利用物光波和參考光波在一定的夾角下進行干涉，獲得了離軸干涉條紋圖，提出了離軸全息術；該離軸全息術使得原始像、共軛像和零級項在頻域上分離開來，獲得了較好的成像效果。1994年，Schnars和Jueptner[3]將電荷耦合器件(CCD)與電腦連接起來采集菲涅耳全息圖，利用相關算法對數字全息圖進行數值再現，取得了較好成像效果，是數字全息領域中的重要里程碑。數字全息術有以下幾個有點：1）替代傳統干板記錄模式，提高了響應速度，增強了靈敏特性；2）實時再現物波信息，能夠直接提取到定量相位信息；3）易于與計算機相結合，處理數字全息圖，以調控測量過程中的噪聲，便于對數字全息圖數字化記錄、存儲和傳輸一體化，有利于全面提升圖像成像質量和物體測量精度。

基于數字全息術的定量相位顯微成像技術憑借其高精度、非接觸、無損傷和可定量的免標記成像優勢，已成為生物細胞和聚苯乙烯微球免標記定量相位顯微成像的一個新標桿[4]。通常，基于光路結構和原理，定量相位顯微鏡可分為：同軸式和離軸式。同軸定量相位顯微鏡由于受到原始像、共軛像和零級項完全重疊的影響，需要額外采用光學移相技術，不適合實時成像；離軸定量相位顯微鏡由于利用分光棱鏡將物光和參考光分離開，使得二者在光路傳播方向上存在一個夾角，無法有效利用CMOS的空間帶寬。目前的同軸和離軸定量相位顯微鏡都需要涉及使用大型激光器、分光鏡、透鏡等一系列高精密光學零部件，使得它們的光路結構復雜、調整難度大，設備笨重、價格高昂，只能在實驗室內使用，無法拓寬它們的使用場景。

綜上所述，現有顯微鏡存在如下問題：1）成像對象需要染色，進而導致樣品或細胞損傷，使細胞失去活性，無法重復進行實驗，并且是定性測量；2）光路結構復雜、易受干擾，導致系統穩定性低、抗噪性能差，成像圖像質量較差；3）體積大、笨重、成本高，導致便攜式差，使用場景受限。為了克服現有顯微鏡存在的上述問題，研發一種無需復雜光路、結構簡單、成本低、便于攜帶的定量相位顯微鏡是非常必要的，有利于進一步拓寬顯微鏡的使用場景。

1 定量相位顯微成像系統

1.1 定量相位顯微成像系統設計思路

為了研制可便攜定量相位顯微鏡，本文研究出一種便攜式共光路自干涉定量相位顯微成像系統，如圖1所示。

圖1 定量相位顯微成像系統

該定量相位顯微成像系統有以下幾點注意事項：激光器1的強度一般不大，不能損傷細胞或樣品，屬于3R安全等級；可調載物臺2一般沿著光波方向可進行軸向調整；樣品3一般具有光學透明的特性，例如聚苯乙烯微球和生物細胞，其形態和大小一般約15 μm左右；物鏡4一般要具有至少40倍的顯微放大能力；光學玻璃板5的厚度一般是4～10 mm左右。

1.2 定量相位顯微成像系統工作原理

為了能夠順利研制出定量相位顯微鏡，結合圖1，將它的工作原理簡述如下：激光器發出波長為λ1的激光光束，照射樣品后，經過顯微物鏡、形成樣品放大光路，經過光學玻璃板，在光學玻璃板的前后面發生反射后，形成自干涉后，對應的離軸干涉圖像被相機記錄。然后，對離軸干涉圖進行傅里葉變換、傅里葉頻移中心操作、傅里葉逆變換，提取物波復振幅，進而提取樣品相位，實現樣品定量相位顯微成像。基于定量相位顯微成像系統研制出的定量相位顯微鏡具有以下幾個特點：1）無分光棱鏡，激光光波行程簡單, 物光和參考光具有共光特性，抗噪性好；2）具有自干涉的特性，能夠形成較好干涉條紋圖像，有利于提高成像圖像質量；3）結構緊湊，光學零部件個數少、成本低，沒有復雜的調節裝置，有利于將定量相位顯微鏡設計成便攜式。

2 定量相位顯微鏡的三維設計

2.1 UG NX 簡介

UG NX 10.0具有零件建模模塊、裝配操作模塊和工程圖模塊等，是一個集CAD/CAE/CAM技術于一體的大型商業軟件，功能特別強大。在設計定量相位顯微鏡的過程中，UG軟件的參數化設計理念、單一數據庫模式，有利于動態修改參數和裝配建模。所謂單一數據庫，是指零件、裝配和工程圖模塊中的某一個零件都存放在同一個指定位置，使得各模塊可以協調工作。在利用UG軟件設計定量相位顯微鏡的過程中，還使用了交互式特征定義、特征識別和基于特征識別的設計三種技術，加快了定量相位顯微鏡的設計進程。為了將定量相位顯微成像系統中的激光器、可調載物臺、樣品、顯微物鏡、光學玻璃板和相機有機放置到各位置并精密固定，本文利用UG NX 10.0軟件設計了一系列定量相位顯微鏡三維模型，包括三維連接板（左和右）、支架、物鏡放置平臺、透鏡組合架等。

2.2 定量相位顯微鏡的自上而下設計法

考慮到定量相位顯微鏡后期裝配問題，本文采用了TOP-DOWN的設計模式，即自上而下設計法。自上而下設計法是從定量相位顯微鏡整個裝配體中，開始單個零部件的局部設計工作，將三維連接板作為基礎零部件或參考模型，使用它的幾何體（基準面、基準軸）來設計另一個零部件支架，依次類推，分別進行物鏡放置平臺和透鏡組合架的三維設計。自上而下設計法考慮了定量相位顯微鏡的整體裝配模型和單個零部件之間的關聯關系，通過與原零件建立幾何關系來控制其它零部件的尺寸。如果調整定量相位顯微鏡中的基礎零部件的尺寸，相關零部件的尺度會自動更新，便于進行定量相位顯微鏡的三維動態設計，也有利于后期對定量相位顯微鏡進行裝配操作。

在利用自上而下設計法完成定量相位顯微鏡三維模型建模后，構建定量相位顯微鏡裝配模型樹，確定基礎裝配構件，利用UG NX 10.0軟件中的裝配操作對相關三維模型進行裝配。利用裝配操作命令和模塊，將設計的定量相位顯微鏡各個三維零件組裝在一起，最終模型如圖2所示。為了使定量相位顯微鏡具有可便攜的特性，它的整體尺寸大約控制在100 mm×100 mm×200 mm范圍內。從此尺寸來看，該定量相位顯微鏡屬于小型、可便攜的。利用裝配操作模塊中的干涉檢查和仿真功能對定量相位顯微鏡裝配結果進行分析，結果表明，該三維定量相位顯微鏡結構設計合理。

圖2 定量相位顯微鏡三維模型

3 定量相位顯微鏡的3D打印

3.1 3D打印簡介

3D打印技術，即增材制造技術，是通過不斷疊加和粘合材料層，制造出一個完整功能的零件，其質量和精度可以與傳統制造模式相媲美。3D打印技術不再需要設計和制造出成本高、體積大的模具，具有柔性制造的特性，適合于單件小批量生產，縮短了生產周期，降低了設計和制造的成本，提高了企業生產效率。

3.2 定量相位顯微鏡的3D打印

為了將定量相位顯微鏡制造出來，利用UG NX 10.0軟件將三維模型依次轉換為IGES格式的數據，以便讓3D打印機接收。但是在數據轉換過程中，由于不同格式的轉換會造成數據點的丟失，導致透鏡組合架的數據丟失。因此，需要對透鏡組合架數據點進行修改和調整，補償丟失的數據點位，以便提高透鏡組合架3D打印模型的質量。在成功完成數據轉換后，然后進行3D打印，最后的結果如圖3所示。

圖3 基于3D打印的定量相位顯微鏡模型

光敏樹脂，俗稱UV樹脂，主要由聚合物單體與預聚體組成，其中加有紫外光引發劑。在一定波長的紫外光(250～300 nm) 照射下便會立刻引起聚合反應，完成固態化轉換。因為其優秀的特性，正被用于3D打印新興行業。本定量相位顯微鏡選擇光敏樹脂材料進行3D打印。從圖3可以看出，3D打印模型的外觀無明顯瑕疵、質量較好，精度能夠控制在0.5 mm左右，基本能夠滿足定量相位顯微鏡的制造要求。

4 定量相位顯微鏡的測試

為了測試定量相位顯微鏡的功能，將激光器、可調載物臺、樣品、顯微物鏡、光學玻璃板和相機布置到圖3中。仔細調整載物臺，達到物鏡焦距時，完成干涉圖像的拍攝，如圖4所示。從圖4可知，干涉圖像的條紋清晰可見，表明干涉效果較好，為下一步測量生物細胞和微球的形態和大小的實驗奠定了較好基礎，達到了定量相位顯微鏡的預期設計目標。

圖4 基于定量相位顯微鏡拍攝的干涉圖像

5 結語

本文克服了傳統顯微鏡的技術缺點，研發了一種新型可便攜定量相位顯微鏡。本文首先簡述了定量相位顯微成像系統的設計思路和工作原理；然后，基于自上而下設計法，利用UG NX 10.0軟件對定量相位顯微鏡進行三維設計及裝配；基于三維打印的方式對其進行加工制造，最后對其進行組裝和測試。研發該定量相位顯微鏡涉及到光學原理基本知識、計算機輔助設計知識、裝配理論、3D打印等諸多知識領域，屬于典型的多學科、交叉研究領域。結果表明，該定量相位顯微鏡能夠成功拍攝出干涉圖像，達到相應的預期設計目標。該定量相位顯微鏡具有無需復雜光路、結構簡單、成本低、便于攜帶的特征。