一種新型便攜定量相位顯微鏡的研發(fā)

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(yè)技術(shù)學(xué)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(zhì)量，Dennis Gabor[1]第一次提出了全息術(shù)。從理論上來說，全息術(shù)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(xiàn)。在當(dāng)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(xiàn)。因此杰出工作，Dennis Gabor獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。受限于當(dāng)時光源相干性問題和同軸全息記錄的模式，導(dǎo)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(zhì)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(xiàn)了相干光源，即激光光源，進一步推動了全息術(shù)的發(fā)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(shù)；該離軸全息術(shù)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(guān)算法對數(shù)字全息圖進行數(shù)值再現(xiàn)，取得了較好成像效果，是數(shù)字全息領(lǐng)域中的重要里程碑。數(shù)字全息術(shù)有以下幾個有點：1）替代傳統(tǒng)干板記錄模式，提高了響應(yīng)速度，增強了靈敏特性；2）實時再現(xiàn)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(jié)合，處理數(shù)字全息圖，以調(diào)控測量過程中的噪聲，便于對數(shù)字全息圖數(shù)字化記錄、存儲和傳輸一體化，有利于全面提升圖像成像質(zhì)量和物體測量精度。

基于數(shù)字全息術(shù)的定量相位顯微成像技術(shù)憑借其高精度、非接觸、無損傷和可定量的免標(biāo)記成像優(yōu)勢，已成為生物細(xì)胞和聚苯乙烯微球免標(biāo)記定量相位顯微成像的一個新標(biāo)桿[4]。通常，基于光路結(jié)構(gòu)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(xué)移相技術(shù)，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(xué)零部件，使得它們的光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整難度大，設(shè)備笨重、價格高昂，只能在實驗室內(nèi)使用，無法拓寬它們的使用場景。

綜上所述，現(xiàn)有顯微鏡存在如下問題：1）成像對象需要染色，進而導(dǎo)致樣品或細(xì)胞損傷，使細(xì)胞失去活性，無法重復(fù)進行實驗，并且是定性測量；2）光路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易受干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性低、抗噪性能差，成像圖像質(zhì)量較差；3）體積大、笨重、成本高，導(dǎo)致便攜式差，使用場景受限。為了克服現(xiàn)有顯微鏡存在的上述問題，研發(fā)一種無需復(fù)雜光路、結(jié)構(gòu)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(tǒng)

1.1 定量相位顯微成像系統(tǒng)設(shè)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(tǒng)，如圖1所示。

圖1 定量相位顯微成像系統(tǒng)

該定量相位顯微成像系統(tǒng)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(xì)胞或樣品，屬于3R安全等級；可調(diào)載物臺2一般沿著光波方向可進行軸向調(diào)整；樣品3一般具有光學(xué)透明的特性，例如聚苯乙烯微球和生物細(xì)胞，其形態(tài)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(xué)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(tǒng)工作原理

為了能夠順利研制出定量相位顯微鏡，結(jié)合圖1，將它的工作原理簡述如下：激光器發(fā)出波長為λ1的激光光束，照射樣品后，經(jīng)過顯微物鏡、形成樣品放大光路，經(jīng)過光學(xué)玻璃板，在光學(xué)玻璃板的前后面發(fā)生反射后，形成自干涉后，對應(yīng)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(fù)振幅，進而提取樣品相位，實現(xiàn)樣品定量相位顯微成像。基于定量相位顯微成像系統(tǒng)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(zhì)量；3）結(jié)構(gòu)緊湊，光學(xué)零部件個數(shù)少、成本低，沒有復(fù)雜的調(diào)節(jié)裝置，有利于將定量相位顯微鏡設(shè)計成便攜式。

2 定量相位顯微鏡的三維設(shè)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(shù)于一體的大型商業(yè)軟件，功能特別強大。在設(shè)計定量相位顯微鏡的過程中，UG軟件的參數(shù)化設(shè)計理念、單一數(shù)據(jù)庫模式，有利于動態(tài)修改參數(shù)和裝配建模。所謂單一數(shù)據(jù)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(xié)調(diào)工作。在利用UG軟件設(shè)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(shè)計三種技術(shù)，加快了定量相位顯微鏡的設(shè)計進程。為了將定量相位顯微成像系統(tǒng)中的激光器、可調(diào)載物臺、樣品、顯微物鏡、光學(xué)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(shè)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(shè)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(shè)計模式，即自上而下設(shè)計法。自上而下設(shè)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(shè)計工作，將三維連接板作為基礎(chǔ)零部件或參考模型，使用它的幾何體（基準(zhǔn)面、基準(zhǔn)軸）來設(shè)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(shè)計。自上而下設(shè)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(guān)聯(lián)關(guān)系，通過與原零件建立幾何關(guān)系來控制其它零部件的尺寸。如果調(diào)整定量相位顯微鏡中的基礎(chǔ)零部件的尺寸，相關(guān)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(tài)設(shè)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(shè)計法完成定量相位顯微鏡三維模型建模后，構(gòu)建定量相位顯微鏡裝配模型樹，確定基礎(chǔ)裝配構(gòu)件，利用UG NX 10.0軟件中的裝配操作對相關(guān)三維模型進行裝配。利用裝配操作命令和模塊，將設(shè)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(nèi)。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(jié)果進行分析，結(jié)果表明，該三維定量相位顯微鏡結(jié)構(gòu)設(shè)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(shù)，即增材制造技術(shù)，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(zhì)量和精度可以與傳統(tǒng)制造模式相媲美。3D打印技術(shù)不再需要設(shè)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(chǎn)，縮短了生產(chǎn)周期，降低了設(shè)計和制造的成本，提高了企業(yè)生產(chǎn)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(zhuǎn)換為IGES格式的數(shù)據(jù)，以便讓3D打印機接收。但是在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，由于不同格式的轉(zhuǎn)換會造成數(shù)據(jù)點的丟失，導(dǎo)致透鏡組合架的數(shù)據(jù)丟失。因此，需要對透鏡組合架數(shù)據(jù)點進行修改和調(diào)整，補償丟失的數(shù)據(jù)點位，以便提高透鏡組合架3D打印模型的質(zhì)量。在成功完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后，然后進行3D打印，最后的結(jié)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(yù)聚體組成，其中加有紫外光引發(fā)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(yīng)，完成固態(tài)化轉(zhuǎn)換。因為其優(yōu)秀的特性，正被用于3D打印新興行業(yè)。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(zhì)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(diào)載物臺、樣品、顯微物鏡、光學(xué)玻璃板和相機布置到圖3中。仔細(xì)調(diào)整載物臺，達(dá)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(xì)胞和微球的形態(tài)和大小的實驗奠定了較好基礎(chǔ)，達(dá)到了定量相位顯微鏡的預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。

圖4 基于定量相位顯微鏡拍攝的干涉圖像

5 結(jié)語

本文克服了傳統(tǒng)顯微鏡的技術(shù)缺點，研發(fā)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(tǒng)的設(shè)計思路和工作原理；然后，基于自上而下設(shè)計法，利用UG NX 10.0軟件對定量相位顯微鏡進行三維設(shè)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(fā)該定量相位顯微鏡涉及到光學(xué)原理基本知識、計算機輔助設(shè)計知識、裝配理論、3D打印等諸多知識領(lǐng)域，屬于典型的多學(xué)科、交叉研究領(lǐng)域。結(jié)果表明，該定量相位顯微鏡能夠成功拍攝出干涉圖像，達(dá)到相應(yīng)的預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。該定量相位顯微鏡具有無需復(fù)雜光路、結(jié)構(gòu)簡單、成本低、便于攜帶的特征。