基于液滴透镜的手持式显微成像系统的研制

黄邵祺，张亚兵，潘明亮，陆佳炜，戴 博

（上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093）

引 言

全球环境因人类活动的影响而遭到破坏，生态系统的恶化和交通运输的快速发展更导致虫媒传染病在全球的流行加剧，必将对人类的健康产生严重的影响[1-3]。当前虫媒传染病的发展趋势不容乐观，原有已基本控制的虫媒传染病有着死灰复燃的趋势，同时新发的虫媒传染病又不断被发现，世界各国的传染性防治工作正在面临全新的挑战。原有的疾病流行不断扩张传播，无法得到有效控制，新发虫媒传染病种类又不断增加，对人类社会的危害越来越大。据统计，在全球新发的传染病中，虫媒传染病[4]就占了75%以上。如何有效地阻止虫媒传染病的流行传播已经成为各个国家疾病防治工作的重点。我国正处于经济快速发展的时期，如何在保证经济发展的同时保护好生态环境是我们科技工作者急需解决的问题。

虫媒传染病具有传播距离远、疫情扩散迅速等特点[5]。因此准确、快速、便捷且适用于恶劣环境的监测手段是管理和防控虫媒传染病的关键所在。随着电子技术和自动控制技术的高速发展，在微生物的检测方面，已由手工检测逐步走向仪器化和智能化的检测。在虫媒传染的检测方面，国内大多数采用市场上的微生物检测仪来观测样本中的虫媒种类和数量，过程十分繁琐，而专业的昆虫观测仪器操作复杂，价格昂贵且体积庞大，无法满足复杂环境中简单快捷的虫媒监测要求[6-8]。本文研制了一种手持式昆虫显微成像系统，旨在低成本、高效率地实现对昆虫的监测。这种准确、便捷的昆虫显微成像系统能帮助环境监测人员及时发现异常并尽早确定应对策略，能有效减小虫媒传染病带来的危害。

1 手持式显微成像系统组成

手持式昆虫显微成像系统主要由液滴透镜模块、手机支撑模块、样本照明模块、外壳模块和升降对焦系统构成。显微成像系统的基本设计思路：设计一个液滴透镜，通过液滴透镜和手机自带的相机的共同作用，对细小物体实现显微放大功能；设计一个带有照明功能和对焦功能的机械结构，使液滴透镜与手机组合在一切，让手机拍摄出清晰、不同焦面下的微小昆虫样本的形貌。

2 手持式显微成像系统设计

2.1 液滴透镜

根据手持式昆虫显微成像系统的使用要求，液滴透镜需具备小巧易更换的特点，且可以实现对观测样品的显微成像功能。

显微成像系统的关键主要在于液滴透镜的选择与制备。在液滴透镜的材料选择方面，采用一种新型高分子聚合物材料聚二甲基硅氧烷（PDMS）[9]。该材料具有良好的透光性、稳定的折光性、优质的热稳定性以及低的成型温度等特点。

液滴透镜制备流程如图1所示：将固化剂和聚二甲基硅氧烷（PDMS）以1∶10的质量配备混合，制备出制作液滴透镜的原料（PDMS液体），将制备好的PDMS液体置于真空机中并进行10 min的真空处理，去除PDMS液体中的微气泡；用注射器注射一定体积的液态PDMS到基底上，液滴将在张力作用下在基底上形成一个半球形；反转基底片，使液滴在重力作用下下垂；选取合适的时间节点，对下垂的液滴进行加热固化，完成液滴透镜的制备。

图1 液滴透镜制备流程图Fig.1 Flow chart of preparation for the droplet-lens

液滴透镜是将液体作为透镜，通过改变液体的曲率来改变透镜的焦距。通过改变预聚物的配比、用量等参数，可制备出焦距、直径、折射率都可调整的液滴透镜[10]。图2是选取不同用量的PDMS及不同时间节点加热固化产生的不同面形的4种液滴透镜，制备完成后，对4种不同面形的液滴透镜进行成像质量的评估。

为了评估不同面形的液滴透镜的成像效果，对4种液滴透镜分别进行成像测试，并将其与未通过透镜成像直接拍摄的手机照片做比对。将制备好的非球面液滴透镜以1～4的编号进行标注并组合到手机的摄像头上，调节手机与待测样本的相对距离，成像清晰后分别拍摄4组照片。保持手机镜头位置不变，取下液滴透镜，再对样本拍摄4组照片。4种装了液滴透镜的成像效果和未安装液滴透镜的成像效果如图3所示。

图4为1～4号液滴透镜对USAF 1951年分辨率精度板的成像照片。从图4中可以看出，在USAF 1951年分辨率精度板图像上，通过1～4号液滴透镜成像后依次可以观察到第5组第6号元素的线对、第5组第3号元素的线对、第4组第5号元素的线对和第3组第6号元素的线对，由此得出1～4号液滴透镜的分辨率依次为 9 μm、12 μm、20 μm 和 35 μm。

图2 4 种不同面形的液滴透镜Fig.2 The droplet-lenses of different profiles

1～4号液滴透镜的焦距分别为6 mm、17 mm、22 mm和30 mm，1～4号液滴透镜的直径分别为6 mm、8.5 mm、11 mm和13 mm。透镜的数值孔径NA的计算式如下：

图3 等距下用与不用液滴透镜成像图Fig.3 Photograph with and without liquid micro-lens

式中：n为透镜与被测物体之间介质的折射率，实验中介质为空气，即n=1；α为透镜孔径角。通过计算得出4种面形的液滴透镜的数值孔径依次为0.447、0.401、0.342和0.316。

从图3可以得出，刻度尺经液滴透镜成像后被放大。由此可计算出1～4号液滴透镜的放大倍数分别为10.45、8.47、6.02和4.85。4种液滴透镜形成的显微系统参数如表1所示。

从4种面形的液滴透镜的成像图中可以看出，样本图片周边略微模糊，但整体像质清晰，相较未经液滴透镜成像的图片均有明显的放大效果。由于液滴透镜有聚光的效果，经液滴透镜成像后的图像较未使用透镜成像的图像亮度更高。因此可得出，本文研制的液滴透镜具有放大倍率可调、成像质量优良、视场大的特点，配合手机摄像头能够实现和传统实验室中体式显微镜成像质量相当的效果。

此外，因实验中采用的液滴透镜制备工艺为倒置垂滴法，制备出的液滴透镜具有非球面特性。与传统球面透镜必然会造成的球面像差的缺点相比，非球面透镜的透镜中心至边缘具有连续曲率且可以发生变化，可以有效避免单一的球面透镜无法将平行光线集中在同一焦点上造成的图像失真，因此提高了成像质量。

图4 4 种透镜的精度板成像图Fig.4 Photograph of USAF 1951 resolution target

表1 4 种液滴透镜的显微系统性能参数Tab.1 Parameters of microscopy system with liquid micro-lens

2.2 电路与照明

为了使显微成像效果最佳，在照明模块电路中接入了一款微型恒压LED调光器。通过调节调光器的旋钮，改变电路中光源的分压量，实现调节LED亮度的功能，照明模块的电路如图5所示。照明模块对光源亮度的可操控性，为系统优质成像提供了必要的条件，可以防止过度曝光造成的图像不清晰。此显微成像系统还设置了强度可调的透射式和反射式光源。透射式和反射式光源能够实现多角度观察样品，使得成像模块能够充分地采集样品图象信息，提高了检测的灵敏度和精准度。

图5 照明模块电路图Fig.5 Circuit diagram of illumination module

2.3 机械设计

图6 手持式昆虫显微成像系统的安装结构Fig.6 Schematic diagram of portable microscopy for insect inspection

手持式昆虫显微成像系统的机械结构如图6所示，由升降对焦平台、为平台提供均匀照明的匀光板、固定液滴透镜和手机的支架等各种机械部件组成。转盘外周采用螺纹设计，以增加手与转盘的摩擦，转盘中间缝隙开孔放置弹簧，减小转盘与转轴的摩擦，方便调旋转盘。整套设备尺寸为120 mm×90 mm×70 mm，采用密度低且强度高的铝合金材料，使组合而成的便携式显微成像仪具有功能齐全、结构稳定和小巧易于携带的优点。

3 设计结果与像质评估

为了验证设计的显微成像系统的实际使用效果，定制了各零部件并自行进行装配，组装后的样机如图7所示。选取两种具有明显生物特征结构的虫媒样本，分别用样机和直接用手机对虫媒样本进行拍照，并对获取的图像进行分析对比。

图7 便携成像系统实物图Fig.7 Photo of the portable microscopy

电池盒采用塑料或者树脂材料，嵌入预留的外壳槽内，可以有效解决因为电池壳导电引起的短路。该机械结构设计了调焦功能，通过旋转转盘，可以调节样本距离手机镜头的距离，实现对样本不同聚焦面形貌的观察，上传不同焦面的一系列照片至服务器，服务器通过自制算法对昆虫三维形貌复原。

图8是两种虫媒样本经过显微成像系统拍摄和直接手机拍摄的效果图。从图中可以看出，经直接手机拍摄的蚊子和白蛉样本成像基本清晰，但分辨率不高，只能分辨虫媒种类，无法观察到昆虫的细节特征。而经手持式显微成像装置拍摄的虫媒样本，可以清晰观察到蚊子的触角、口器和腹背的淡色横带等形态结构。白蛉经手持式显微成像装置放大后，可观察到其翅清晰透明，复眼大而黑等在直接手机拍摄时无法辨别的细节。虽然经显微成像后的照片因球差导致边缘模糊，但总体不影响其使用功能，在调焦范围内，其图像清晰，放大倍率充足且合理。

图8 样本经显微成像系统前后对比图Fig.8 Photograph of samples with and without portable microscopy

4 结论与展望

本文研制了一种便携式昆虫显微成像系统，用于快速、实时地监测虫媒样本信息。整个检测过程无需大型实验设备以及专业的操作人员即可达到检测效果，极大地方便了虫媒监测的相关工作，提高了监测的效率和准确性。系统不仅提高了检测效率，还丰富了检测的种类。此外，这种显微成像系统还可以配合相关显色反应检测手段，扩大检测对象的范围，免去一些耗时的实验室送检流程，是虫媒监测的一项新方法[11-13]。

在未来的研究中，通过更换液滴透镜型号，以实现多种虫媒的检测。比如针对体内含有叶绿素的生物，由于叶绿素具有荧光现象，可以在一定光源的照射下发出荧光，利用彩色液滴透镜对发出荧光的位置放大成像，可以观察到平时看不到的生物。采用彩色液滴透镜，通过提供特定波段的光，可以实现对样品荧光的观察，极大地丰富了检测设备的检测范围[14]，同时也为相关检测人员提供了便利。此外，由于其快速检测的能力，本产品在其他领域例如钟表齿轮检测，珠宝鉴别，字画鉴定，文物修复，管道裂痕检测，医学检测，船舶航天裂纹检测，农林业研究和刑事鉴定取证方面，也将有广泛的应用。