基于液滴透鏡的手持式顯微成像系統的研制

黃邵祺，張亞兵，潘明亮，陸佳煒，戴 博

（上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093）

引 言

全球環境因人類活動的影響而遭到破壞，生態系統的惡化和交通運輸的快速發展更導致蟲媒傳染病在全球的流行加劇，必將對人類的健康產生嚴重的影響[1-3]。當前蟲媒傳染病的發展趨勢不容樂觀，原有已基本控制的蟲媒傳染病有著死灰復燃的趨勢，同時新發的蟲媒傳染病又不斷被發現，世界各國的傳染性防治工作正在面臨全新的挑戰。原有的疾病流行不斷擴張傳播，無法得到有效控制，新發蟲媒傳染病種類又不斷增加，對人類社會的危害越來越大。據統計，在全球新發的傳染病中，蟲媒傳染病[4]就占了75%以上。如何有效地阻止蟲媒傳染病的流行傳播已經成為各個國家疾病防治工作的重點。我國正處于經濟快速發展的時期，如何在保證經濟發展的同時保護好生態環境是我們科技工作者急需解決的問題。

蟲媒傳染病具有傳播距離遠、疫情擴散迅速等特點[5]。因此準確、快速、便捷且適用于惡劣環境的監測手段是管理和防控蟲媒傳染病的關鍵所在。隨著電子技術和自動控制技術的高速發展，在微生物的檢測方面，已由手工檢測逐步走向儀器化和智能化的檢測。在蟲媒傳染的檢測方面，國內大多數采用市場上的微生物檢測儀來觀測樣本中的蟲媒種類和數量，過程十分繁瑣，而專業的昆蟲觀測儀器操作復雜，價格昂貴且體積龐大，無法滿足復雜環境中簡單快捷的蟲媒監測要求[6-8]。本文研制了一種手持式昆蟲顯微成像系統，旨在低成本、高效率地實現對昆蟲的監測。這種準確、便捷的昆蟲顯微成像系統能幫助環境監測人員及時發現異常并盡早確定應對策略，能有效減小蟲媒傳染病帶來的危害。

1 手持式顯微成像系統組成

手持式昆蟲顯微成像系統主要由液滴透鏡模塊、手機支撐模塊、樣本照明模塊、外殼模塊和升降對焦系統構成。顯微成像系統的基本設計思路：設計一個液滴透鏡，通過液滴透鏡和手機自帶的相機的共同作用，對細小物體實現顯微放大功能；設計一個帶有照明功能和對焦功能的機械結構，使液滴透鏡與手機組合在一切，讓手機拍攝出清晰、不同焦面下的微小昆蟲樣本的形貌。

2 手持式顯微成像系統設計

2.1 液滴透鏡

根據手持式昆蟲顯微成像系統的使用要求，液滴透鏡需具備小巧易更換的特點，且可以實現對觀測樣品的顯微成像功能。

顯微成像系統的關鍵主要在于液滴透鏡的選擇與制備。在液滴透鏡的材料選擇方面，采用一種新型高分子聚合物材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）[9]。該材料具有良好的透光性、穩定的折光性、優質的熱穩定性以及低的成型溫度等特點。

液滴透鏡制備流程如圖1所示：將固化劑和聚二甲基硅氧烷（PDMS）以1∶10的質量配備混合，制備出制作液滴透鏡的原料（PDMS液體），將制備好的PDMS液體置于真空機中并進行10 min的真空處理，去除PDMS液體中的微氣泡；用注射器注射一定體積的液態PDMS到基底上，液滴將在張力作用下在基底上形成一個半球形；反轉基底片，使液滴在重力作用下下垂；選取合適的時間節點，對下垂的液滴進行加熱固化，完成液滴透鏡的制備。

圖1 液滴透鏡制備流程圖Fig.1 Flow chart of preparation for the droplet-lens

液滴透鏡是將液體作為透鏡，通過改變液體的曲率來改變透鏡的焦距。通過改變預聚物的配比、用量等參數，可制備出焦距、直徑、折射率都可調整的液滴透鏡[10]。圖2是選取不同用量的PDMS及不同時間節點加熱固化產生的不同面形的4種液滴透鏡，制備完成后，對4種不同面形的液滴透鏡進行成像質量的評估。

為了評估不同面形的液滴透鏡的成像效果，對4種液滴透鏡分別進行成像測試，并將其與未通過透鏡成像直接拍攝的手機照片做比對。將制備好的非球面液滴透鏡以1～4的編號進行標注并組合到手機的攝像頭上，調節手機與待測樣本的相對距離，成像清晰后分別拍攝4組照片。保持手機鏡頭位置不變，取下液滴透鏡，再對樣本拍攝4組照片。4種裝了液滴透鏡的成像效果和未安裝液滴透鏡的成像效果如圖3所示。

圖4為1～4號液滴透鏡對USAF 1951年分辨率精度板的成像照片。從圖4中可以看出，在USAF 1951年分辨率精度板圖像上，通過1～4號液滴透鏡成像后依次可以觀察到第5組第6號元素的線對、第5組第3號元素的線對、第4組第5號元素的線對和第3組第6號元素的線對，由此得出1～4號液滴透鏡的分辨率依次為 9 μm、12 μm、20 μm 和 35 μm。

圖2 4 種不同面形的液滴透鏡Fig.2 The droplet-lenses of different profiles

1～4號液滴透鏡的焦距分別為6 mm、17 mm、22 mm和30 mm，1～4號液滴透鏡的直徑分別為6 mm、8.5 mm、11 mm和13 mm。透鏡的數值孔徑NA的計算式如下：

圖3 等距下用與不用液滴透鏡成像圖Fig.3 Photograph with and without liquid micro-lens

式中：n為透鏡與被測物體之間介質的折射率，實驗中介質為空氣，即n=1；α為透鏡孔徑角。通過計算得出4種面形的液滴透鏡的數值孔徑依次為0.447、0.401、0.342和0.316。

從圖3可以得出，刻度尺經液滴透鏡成像后被放大。由此可計算出1～4號液滴透鏡的放大倍數分別為10.45、8.47、6.02和4.85。4種液滴透鏡形成的顯微系統參數如表1所示。

從4種面形的液滴透鏡的成像圖中可以看出，樣本圖片周邊略微模糊，但整體像質清晰，相較未經液滴透鏡成像的圖片均有明顯的放大效果。由于液滴透鏡有聚光的效果，經液滴透鏡成像后的圖像較未使用透鏡成像的圖像亮度更高。因此可得出，本文研制的液滴透鏡具有放大倍率可調、成像質量優良、視場大的特點，配合手機攝像頭能夠實現和傳統實驗室中體式顯微鏡成像質量相當的效果。

此外，因實驗中采用的液滴透鏡制備工藝為倒置垂滴法，制備出的液滴透鏡具有非球面特性。與傳統球面透鏡必然會造成的球面像差的缺點相比，非球面透鏡的透鏡中心至邊緣具有連續曲率且可以發生變化，可以有效避免單一的球面透鏡無法將平行光線集中在同一焦點上造成的圖像失真，因此提高了成像質量。

圖4 4 種透鏡的精度板成像圖Fig.4 Photograph of USAF 1951 resolution target

表1 4 種液滴透鏡的顯微系統性能參數Tab.1 Parameters of microscopy system with liquid micro-lens

2.2 電路與照明

為了使顯微成像效果最佳，在照明模塊電路中接入了一款微型恒壓LED調光器。通過調節調光器的旋鈕，改變電路中光源的分壓量，實現調節LED亮度的功能，照明模塊的電路如圖5所示。照明模塊對光源亮度的可操控性，為系統優質成像提供了必要的條件，可以防止過度曝光造成的圖像不清晰。此顯微成像系統還設置了強度可調的透射式和反射式光源。透射式和反射式光源能夠實現多角度觀察樣品，使得成像模塊能夠充分地采集樣品圖象信息，提高了檢測的靈敏度和精準度。

圖5 照明模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of illumination module

2.3 機械設計

圖6 手持式昆蟲顯微成像系統的安裝結構Fig.6 Schematic diagram of portable microscopy for insect inspection

手持式昆蟲顯微成像系統的機械結構如圖6所示，由升降對焦平臺、為平臺提供均勻照明的勻光板、固定液滴透鏡和手機的支架等各種機械部件組成。轉盤外周采用螺紋設計，以增加手與轉盤的摩擦，轉盤中間縫隙開孔放置彈簧，減小轉盤與轉軸的摩擦，方便調旋轉盤。整套設備尺寸為120 mm×90 mm×70 mm，采用密度低且強度高的鋁合金材料，使組合而成的便攜式顯微成像儀具有功能齊全、結構穩定和小巧易于攜帶的優點。

3 設計結果與像質評估

為了驗證設計的顯微成像系統的實際使用效果，定制了各零部件并自行進行裝配，組裝后的樣機如圖7所示。選取兩種具有明顯生物特征結構的蟲媒樣本，分別用樣機和直接用手機對蟲媒樣本進行拍照，并對獲取的圖像進行分析對比。

圖7 便攜成像系統實物圖Fig.7 Photo of the portable microscopy

電池盒采用塑料或者樹脂材料，嵌入預留的外殼槽內，可以有效解決因為電池殼導電引起的短路。該機械結構設計了調焦功能，通過旋轉轉盤，可以調節樣本距離手機鏡頭的距離，實現對樣本不同聚焦面形貌的觀察，上傳不同焦面的一系列照片至服務器，服務器通過自制算法對昆蟲三維形貌復原。

圖8是兩種蟲媒樣本經過顯微成像系統拍攝和直接手機拍攝的效果圖。從圖中可以看出，經直接手機拍攝的蚊子和白蛉樣本成像基本清晰，但分辨率不高，只能分辨蟲媒種類，無法觀察到昆蟲的細節特征。而經手持式顯微成像裝置拍攝的蟲媒樣本，可以清晰觀察到蚊子的觸角、口器和腹背的淡色橫帶等形態結構。白蛉經手持式顯微成像裝置放大后，可觀察到其翅清晰透明，復眼大而黑等在直接手機拍攝時無法辨別的細節。雖然經顯微成像后的照片因球差導致邊緣模糊，但總體不影響其使用功能，在調焦范圍內，其圖像清晰，放大倍率充足且合理。

圖8 樣本經顯微成像系統前后對比圖Fig.8 Photograph of samples with and without portable microscopy

4 結論與展望

本文研制了一種便攜式昆蟲顯微成像系統，用于快速、實時地監測蟲媒樣本信息。整個檢測過程無需大型實驗設備以及專業的操作人員即可達到檢測效果，極大地方便了蟲媒監測的相關工作，提高了監測的效率和準確性。系統不僅提高了檢測效率，還豐富了檢測的種類。此外，這種顯微成像系統還可以配合相關顯色反應檢測手段，擴大檢測對象的范圍，免去一些耗時的實驗室送檢流程，是蟲媒監測的一項新方法[11-13]。

在未來的研究中，通過更換液滴透鏡型號，以實現多種蟲媒的檢測。比如針對體內含有葉綠素的生物，由于葉綠素具有熒光現象，可以在一定光源的照射下發出熒光，利用彩色液滴透鏡對發出熒光的位置放大成像，可以觀察到平時看不到的生物。采用彩色液滴透鏡，通過提供特定波段的光，可以實現對樣品熒光的觀察，極大地豐富了檢測設備的檢測范圍[14]，同時也為相關檢測人員提供了便利。此外，由于其快速檢測的能力，本產品在其他領域例如鐘表齒輪檢測，珠寶鑒別，字畫鑒定，文物修復，管道裂痕檢測，醫學檢測，船舶航天裂紋檢測，農林業研究和刑事鑒定取證方面，也將有廣泛的應用。