一种新型便携定量相位显微镜的研发

陈吉丽，唐礼浩，倪语丹，薄康莹，孟雨涵，徐小青，王利群

（常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164）

0 引言

1948年，为了提高电子显微镜的分辨率和改进成像图像质量，Dennis Gabor[1]第一次提出了全息术。从理论上来说，全息术主要有2个阶段：1）第一阶段。光波波前干涉记录。2）第二阶段。物波波前衍射再现。在当时没有相干光源的情况下，Dennis Gabor基于高压汞灯光源，成功拍摄出了第一张全息图，并进行了第一张全息图的再现。因此杰出工作，Dennis Gabor获得了诺贝尔物理学奖。受限于当时光源相干性问题和同轴全息记录的模式，导致原始像、共轭像和零级项完全重叠在一张全息图上，进而引起全息图像质量降低，成像物体效果并不理想。1960年，随着激光器时代的到来，出现了相干光源，即激光光源，进一步推动了全息术的发展。1962年，Leith 和Upatnieks[2]利用物光波和参考光波在一定的夹角下进行干涉，获得了离轴干涉条纹图，提出了离轴全息术；该离轴全息术使得原始像、共轭像和零级项在频域上分离开来，获得了较好的成像效果。1994年，Schnars和Jueptner[3]将电荷耦合器件(CCD)与电脑连接起来采集菲涅耳全息图，利用相关算法对数字全息图进行数值再现，取得了较好成像效果，是数字全息领域中的重要里程碑。数字全息术有以下几个有点：1）替代传统干板记录模式，提高了响应速度，增强了灵敏特性；2）实时再现物波信息，能够直接提取到定量相位信息；3）易于与计算机相结合，处理数字全息图，以调控测量过程中的噪声，便于对数字全息图数字化记录、存储和传输一体化，有利于全面提升图像成像质量和物体测量精度。

基于数字全息术的定量相位显微成像技术凭借其高精度、非接触、无损伤和可定量的免标记成像优势，已成为生物细胞和聚苯乙烯微球免标记定量相位显微成像的一个新标杆[4]。通常，基于光路结构和原理，定量相位显微镜可分为：同轴式和离轴式。同轴定量相位显微镜由于受到原始像、共轭像和零级项完全重叠的影响，需要额外采用光学移相技术，不适合实时成像；离轴定量相位显微镜由于利用分光棱镜将物光和参考光分离开，使得二者在光路传播方向上存在一个夹角，无法有效利用CMOS的空间带宽。目前的同轴和离轴定量相位显微镜都需要涉及使用大型激光器、分光镜、透镜等一系列高精密光学零部件，使得它们的光路结构复杂、调整难度大，设备笨重、价格高昂，只能在实验室内使用，无法拓宽它们的使用场景。

综上所述，现有显微镜存在如下问题：1）成像对象需要染色，进而导致样品或细胞损伤，使细胞失去活性，无法重复进行实验，并且是定性测量；2）光路结构复杂、易受干扰，导致系统稳定性低、抗噪性能差，成像图像质量较差；3）体积大、笨重、成本高，导致便携式差，使用场景受限。为了克服现有显微镜存在的上述问题，研发一种无需复杂光路、结构简单、成本低、便于携带的定量相位显微镜是非常必要的，有利于进一步拓宽显微镜的使用场景。

1 定量相位显微成像系统

1.1 定量相位显微成像系统设计思路

为了研制可便携定量相位显微镜，本文研究出一种便携式共光路自干涉定量相位显微成像系统，如图1所示。

图1 定量相位显微成像系统

该定量相位显微成像系统有以下几点注意事项：激光器1的强度一般不大，不能损伤细胞或样品，属于3R安全等级；可调载物台2一般沿着光波方向可进行轴向调整；样品3一般具有光学透明的特性，例如聚苯乙烯微球和生物细胞，其形态和大小一般约15 μm左右；物镜4一般要具有至少40倍的显微放大能力；光学玻璃板5的厚度一般是4～10 mm左右。

1.2 定量相位显微成像系统工作原理

为了能够顺利研制出定量相位显微镜，结合图1，将它的工作原理简述如下：激光器发出波长为λ1的激光光束，照射样品后，经过显微物镜、形成样品放大光路，经过光学玻璃板，在光学玻璃板的前后面发生反射后，形成自干涉后，对应的离轴干涉图像被相机记录。然后，对离轴干涉图进行傅里叶变换、傅里叶频移中心操作、傅里叶逆变换，提取物波复振幅，进而提取样品相位，实现样品定量相位显微成像。基于定量相位显微成像系统研制出的定量相位显微镜具有以下几个特点：1）无分光棱镜，激光光波行程简单, 物光和参考光具有共光特性，抗噪性好；2）具有自干涉的特性，能够形成较好干涉条纹图像，有利于提高成像图像质量；3）结构紧凑，光学零部件个数少、成本低，没有复杂的调节装置，有利于将定量相位显微镜设计成便携式。

2 定量相位显微镜的三维设计

2.1 UG NX 简介

UG NX 10.0具有零件建模模块、装配操作模块和工程图模块等，是一个集CAD/CAE/CAM技术于一体的大型商业软件，功能特别强大。在设计定量相位显微镜的过程中，UG软件的参数化设计理念、单一数据库模式，有利于动态修改参数和装配建模。所谓单一数据库，是指零件、装配和工程图模块中的某一个零件都存放在同一个指定位置，使得各模块可以协调工作。在利用UG软件设计定量相位显微镜的过程中，还使用了交互式特征定义、特征识别和基于特征识别的设计三种技术，加快了定量相位显微镜的设计进程。为了将定量相位显微成像系统中的激光器、可调载物台、样品、显微物镜、光学玻璃板和相机有机放置到各位置并精密固定，本文利用UG NX 10.0软件设计了一系列定量相位显微镜三维模型，包括三维连接板（左和右）、支架、物镜放置平台、透镜组合架等。

2.2 定量相位显微镜的自上而下设计法

考虑到定量相位显微镜后期装配问题，本文采用了TOP-DOWN的设计模式，即自上而下设计法。自上而下设计法是从定量相位显微镜整个装配体中，开始单个零部件的局部设计工作，将三维连接板作为基础零部件或参考模型，使用它的几何体（基准面、基准轴）来设计另一个零部件支架，依次类推，分别进行物镜放置平台和透镜组合架的三维设计。自上而下设计法考虑了定量相位显微镜的整体装配模型和单个零部件之间的关联关系，通过与原零件建立几何关系来控制其它零部件的尺寸。如果调整定量相位显微镜中的基础零部件的尺寸，相关零部件的尺度会自动更新，便于进行定量相位显微镜的三维动态设计，也有利于后期对定量相位显微镜进行装配操作。

在利用自上而下设计法完成定量相位显微镜三维模型建模后，构建定量相位显微镜装配模型树，确定基础装配构件，利用UG NX 10.0软件中的装配操作对相关三维模型进行装配。利用装配操作命令和模块，将设计的定量相位显微镜各个三维零件组装在一起，最终模型如图2所示。为了使定量相位显微镜具有可便携的特性，它的整体尺寸大约控制在100 mm×100 mm×200 mm范围内。从此尺寸来看，该定量相位显微镜属于小型、可便携的。利用装配操作模块中的干涉检查和仿真功能对定量相位显微镜装配结果进行分析，结果表明，该三维定量相位显微镜结构设计合理。

图2 定量相位显微镜三维模型

3 定量相位显微镜的3D打印

3.1 3D打印简介

3D打印技术，即增材制造技术，是通过不断叠加和粘合材料层，制造出一个完整功能的零件，其质量和精度可以与传统制造模式相媲美。3D打印技术不再需要设计和制造出成本高、体积大的模具，具有柔性制造的特性，适合于单件小批量生产，缩短了生产周期，降低了设计和制造的成本，提高了企业生产效率。

3.2 定量相位显微镜的3D打印

为了将定量相位显微镜制造出来，利用UG NX 10.0软件将三维模型依次转换为IGES格式的数据，以便让3D打印机接收。但是在数据转换过程中，由于不同格式的转换会造成数据点的丢失，导致透镜组合架的数据丢失。因此，需要对透镜组合架数据点进行修改和调整，补偿丢失的数据点位，以便提高透镜组合架3D打印模型的质量。在成功完成数据转换后，然后进行3D打印，最后的结果如图3所示。

图3 基于3D打印的定量相位显微镜模型

光敏树脂，俗称UV树脂，主要由聚合物单体与预聚体组成，其中加有紫外光引发剂。在一定波长的紫外光(250～300 nm) 照射下便会立刻引起聚合反应，完成固态化转换。因为其优秀的特性，正被用于3D打印新兴行业。本定量相位显微镜选择光敏树脂材料进行3D打印。从图3可以看出，3D打印模型的外观无明显瑕疵、质量较好，精度能够控制在0.5 mm左右，基本能够满足定量相位显微镜的制造要求。

4 定量相位显微镜的测试

为了测试定量相位显微镜的功能，将激光器、可调载物台、样品、显微物镜、光学玻璃板和相机布置到图3中。仔细调整载物台，达到物镜焦距时，完成干涉图像的拍摄，如图4所示。从图4可知，干涉图像的条纹清晰可见，表明干涉效果较好，为下一步测量生物细胞和微球的形态和大小的实验奠定了较好基础，达到了定量相位显微镜的预期设计目标。

图4 基于定量相位显微镜拍摄的干涉图像

5 结语

本文克服了传统显微镜的技术缺点，研发了一种新型可便携定量相位显微镜。本文首先简述了定量相位显微成像系统的设计思路和工作原理；然后，基于自上而下设计法，利用UG NX 10.0软件对定量相位显微镜进行三维设计及装配；基于三维打印的方式对其进行加工制造，最后对其进行组装和测试。研发该定量相位显微镜涉及到光学原理基本知识、计算机辅助设计知识、装配理论、3D打印等诸多知识领域，属于典型的多学科、交叉研究领域。结果表明，该定量相位显微镜能够成功拍摄出干涉图像，达到相应的预期设计目标。该定量相位显微镜具有无需复杂光路、结构简单、成本低、便于携带的特征。