基于液滴透鏡的手持式顯微成像系統(tǒng)的研制

黃邵祺，張亞兵，潘明亮，陸佳煒，戴 博

（上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093）

引 言

全球環(huán)境因人類活動(dòng)的影響而遭到破壞，生態(tài)系統(tǒng)的惡化和交通運(yùn)輸?shù)目焖侔l(fā)展更導(dǎo)致蟲媒傳染病在全球的流行加劇，必將對(duì)人類的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的影響[1-3]。當(dāng)前蟲媒傳染病的發(fā)展趨勢(shì)不容樂(lè)觀，原有已基本控制的蟲媒傳染病有著死灰復(fù)燃的趨勢(shì)，同時(shí)新發(fā)的蟲媒傳染病又不斷被發(fā)現(xiàn)，世界各國(guó)的傳染性防治工作正在面臨全新的挑戰(zhàn)。原有的疾病流行不斷擴(kuò)張傳播，無(wú)法得到有效控制，新發(fā)蟲媒傳染病種類又不斷增加，對(duì)人類社會(huì)的危害越來(lái)越大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在全球新發(fā)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(jīng)成為各個(gè)國(guó)家疾病防治工作的重點(diǎn)。我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的時(shí)期，如何在保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)保護(hù)好生態(tài)環(huán)境是我們科技工作者急需解決的問(wèn)題。

蟲媒傳染病具有傳播距離遠(yuǎn)、疫情擴(kuò)散迅速等特點(diǎn)[5]。因此準(zhǔn)確、快速、便捷且適用于惡劣環(huán)境的監(jiān)測(cè)手段是管理和防控蟲媒傳染病的關(guān)鍵所在。隨著電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的高速發(fā)展，在微生物的檢測(cè)方面，已由手工檢測(cè)逐步走向儀器化和智能化的檢測(cè)。在蟲媒傳染的檢測(cè)方面，國(guó)內(nèi)大多數(shù)采用市場(chǎng)上的微生物檢測(cè)儀來(lái)觀測(cè)樣本中的蟲媒種類和數(shù)量，過(guò)程十分繁瑣，而專業(yè)的昆蟲觀測(cè)儀器操作復(fù)雜，價(jià)格昂貴且體積龐大，無(wú)法滿足復(fù)雜環(huán)境中簡(jiǎn)單快捷的蟲媒監(jiān)測(cè)要求[6-8]。本文研制了一種手持式昆蟲顯微成像系統(tǒng)，旨在低成本、高效率地實(shí)現(xiàn)對(duì)昆蟲的監(jiān)測(cè)。這種準(zhǔn)確、便捷的昆蟲顯微成像系統(tǒng)能幫助環(huán)境監(jiān)測(cè)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并盡早確定應(yīng)對(duì)策略，能有效減小蟲媒傳染病帶來(lái)的危害。

1 手持式顯微成像系統(tǒng)組成

手持式昆蟲顯微成像系統(tǒng)主要由液滴透鏡模塊、手機(jī)支撐模塊、樣本照明模塊、外殼模塊和升降對(duì)焦系統(tǒng)構(gòu)成。顯微成像系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)思路：設(shè)計(jì)一個(gè)液滴透鏡，通過(guò)液滴透鏡和手機(jī)自帶的相機(jī)的共同作用，對(duì)細(xì)小物體實(shí)現(xiàn)顯微放大功能；設(shè)計(jì)一個(gè)帶有照明功能和對(duì)焦功能的機(jī)械結(jié)構(gòu)，使液滴透鏡與手機(jī)組合在一切，讓手機(jī)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(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液滴透鏡

根據(jù)手持式昆蟲顯微成像系統(tǒng)的使用要求，液滴透鏡需具備小巧易更換的特點(diǎn)，且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)樣品的顯微成像功能。

顯微成像系統(tǒng)的關(guān)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(wěn)定的折光性、優(yōu)質(zhì)的熱穩(wěn)定性以及低的成型溫度等特點(diǎn)。

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(zhì)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(jī)中并進(jìn)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(tài)PDMS到基底上，液滴將在張力作用下在基底上形成一個(gè)半球形；反轉(zhuǎn)基底片，使液滴在重力作用下下垂；選取合適的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，對(duì)下垂的液滴進(jìn)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(guò)改變液體的曲率來(lái)改變透鏡的焦距。通過(guò)改變預(yù)聚物的配比、用量等參數(shù)，可制備出焦距、直徑、折射率都可調(diào)整的液滴透鏡[10]。圖2是選取不同用量的PDMS及不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)加熱固化產(chǎn)生的不同面形的4種液滴透鏡，制備完成后，對(duì)4種不同面形的液滴透鏡進(jìn)行成像質(zhì)量的評(píng)估。

為了評(píng)估不同面形的液滴透鏡的成像效果，對(duì)4種液滴透鏡分別進(jìn)行成像測(cè)試，并將其與未通過(guò)透鏡成像直接拍攝的手機(jī)照片做比對(duì)。將制備好的非球面液滴透鏡以1～4的編號(hào)進(jìn)行標(biāo)注并組合到手機(jī)的攝像頭上，調(diào)節(jié)手機(jī)與待測(cè)樣本的相對(duì)距離，成像清晰后分別拍攝4組照片。保持手機(jī)鏡頭位置不變，取下液滴透鏡，再對(duì)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(hào)液滴透鏡對(duì)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(guò)1～4號(hào)液滴透鏡成像后依次可以觀察到第5組第6號(hào)元素的線對(duì)、第5組第3號(hào)元素的線對(duì)、第4組第5號(hào)元素的線對(duì)和第3組第6號(hào)元素的線對(duì)，由此得出1～4號(hào)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(hào)液滴透鏡的焦距分別為6 mm、17 mm、22 mm和30 mm，1～4號(hào)液滴透鏡的直徑分別為6 mm、8.5 mm、11 mm和13 mm。透鏡的數(shù)值孔徑NA的計(jì)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(cè)物體之間介質(zhì)的折射率，實(shí)驗(yàn)中介質(zhì)為空氣，即n=1；α為透鏡孔徑角。通過(guò)計(jì)算得出4種面形的液滴透鏡的數(shù)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(jīng)液滴透鏡成像后被放大。由此可計(jì)算出1～4號(hào)液滴透鏡的放大倍數(shù)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(tǒng)參數(shù)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(zhì)清晰，相較未經(jīng)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(jīng)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(diào)、成像質(zhì)量?jī)?yōu)良、視場(chǎng)大的特點(diǎn)，配合手機(jī)攝像頭能夠?qū)崿F(xiàn)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室中體式顯微鏡成像質(zhì)量相當(dāng)?shù)男Ч?/p>

此外，因?qū)嶒?yàn)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(tǒng)球面透鏡必然會(huì)造成的球面像差的缺點(diǎn)相比，非球面透鏡的透鏡中心至邊緣具有連續(xù)曲率且可以發(fā)生變化，可以有效避免單一的球面透鏡無(wú)法將平行光線集中在同一焦點(diǎn)上造成的圖像失真，因此提高了成像質(zhì)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(tǒng)性能參數(shù)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(diào)光器。通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)光器的旋鈕，改變電路中光源的分壓量，實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)LED亮度的功能，照明模塊的電路如圖5所示。照明模塊對(duì)光源亮度的可操控性，為系統(tǒng)優(yōu)質(zhì)成像提供了必要的條件，可以防止過(guò)度曝光造成的圖像不清晰。此顯微成像系統(tǒng)還設(shè)置了強(qiáng)度可調(diào)的透射式和反射式光源。透射式和反射式光源能夠?qū)崿F(xiàn)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(cè)的靈敏度和精準(zhǔn)度。

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

2.3 機(jī)械設(shè)計(jì)

圖6 手持式昆蟲顯微成像系統(tǒng)的安裝結(jié)構(gòu)Fig.6 Schematic diagram of portable microscopy for insect inspection

手持式昆蟲顯微成像系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖6所示，由升降對(duì)焦平臺(tái)、為平臺(tái)提供均勻照明的勻光板、固定液滴透鏡和手機(jī)的支架等各種機(jī)械部件組成。轉(zhuǎn)盤外周采用螺紋設(shè)計(jì)，以增加手與轉(zhuǎn)盤的摩擦，轉(zhuǎn)盤中間縫隙開孔放置彈簧，減小轉(zhuǎn)盤與轉(zhuǎn)軸的摩擦，方便調(diào)旋轉(zhuǎn)盤。整套設(shè)備尺寸為120 mm×90 mm×70 mm，采用密度低且強(qiáng)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定和小巧易于攜帶的優(yōu)點(diǎn)。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果與像質(zhì)評(píng)估

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的顯微成像系統(tǒng)的實(shí)際使用效果，定制了各零部件并自行進(jìn)行裝配，組裝后的樣機(jī)如圖7所示。選取兩種具有明顯生物特征結(jié)構(gòu)的蟲媒樣本，分別用樣機(jī)和直接用手機(jī)對(duì)蟲媒樣本進(jìn)行拍照，并對(duì)獲取的圖像進(jìn)行分析對(duì)比。

圖7 便攜成像系統(tǒng)實(shí)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(yù)留的外殼槽內(nèi)，可以有效解決因?yàn)殡姵貧?dǎo)電引起的短路。該機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了調(diào)焦功能，通過(guò)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，可以調(diào)節(jié)樣本距離手機(jī)鏡頭的距離，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(wù)器，服務(wù)器通過(guò)自制算法對(duì)昆蟲三維形貌復(fù)原。

圖8是兩種蟲媒樣本經(jīng)過(guò)顯微成像系統(tǒng)拍攝和直接手機(jī)拍攝的效果圖。從圖中可以看出，經(jīng)直接手機(jī)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(wú)法觀察到昆蟲的細(xì)節(jié)特征。而經(jīng)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(tài)結(jié)構(gòu)。白蛉經(jīng)手持式顯微成像裝置放大后，可觀察到其翅清晰透明，復(fù)眼大而黑等在直接手機(jī)拍攝時(shí)無(wú)法辨別的細(xì)節(jié)。雖然經(jīng)顯微成像后的照片因球差導(dǎo)致邊緣模糊，但總體不影響其使用功能，在調(diào)焦范圍內(nèi)，其圖像清晰，放大倍率充足且合理。

圖8 樣本經(jīng)顯微成像系統(tǒng)前后對(duì)比圖Fig.8 Photograph of samples with and without portable microscopy

4 結(jié)論與展望

本文研制了一種便攜式昆蟲顯微成像系統(tǒng)，用于快速、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)蟲媒樣本信息。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程無(wú)需大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備以及專業(yè)的操作人員即可達(dá)到檢測(cè)效果，極大地方便了蟲媒監(jiān)測(cè)的相關(guān)工作，提高了監(jiān)測(cè)的效率和準(zhǔn)確性。系統(tǒng)不僅提高了檢測(cè)效率，還豐富了檢測(cè)的種類。此外，這種顯微成像系統(tǒng)還可以配合相關(guān)顯色反應(yīng)檢測(cè)手段，擴(kuò)大檢測(cè)對(duì)象的范圍，免去一些耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)室送檢流程，是蟲媒監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)新方法[11-13]。

在未來(lái)的研究中，通過(guò)更換液滴透鏡型號(hào)，以實(shí)現(xiàn)多種蟲媒的檢測(cè)。比如針對(duì)體內(nèi)含有葉綠素的生物，由于葉綠素具有熒光現(xiàn)象，可以在一定光源的照射下發(fā)出熒光，利用彩色液滴透鏡對(duì)發(fā)出熒光的位置放大成像，可以觀察到平時(shí)看不到的生物。采用彩色液滴透鏡，通過(guò)提供特定波段的光，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品熒光的觀察，極大地豐富了檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)范圍[14]，同時(shí)也為相關(guān)檢測(cè)人員提供了便利。此外，由于其快速檢測(cè)的能力，本產(chǎn)品在其他領(lǐng)域例如鐘表齒輪檢測(cè)，珠寶鑒別，字畫鑒定，文物修復(fù)，管道裂痕檢測(cè)，醫(yī)學(xué)檢測(cè)，船舶航天裂紋檢測(cè)，農(nóng)林業(yè)研究和刑事鑒定取證方面，也將有廣泛的應(yīng)用。