摘要

当今的显微镜领域比起以往任何时候都更加发达，形式也广泛多样，举几个例，比如荧光显微镜、光学相干断层扫描、以及共焦显微镜等。科技的进步显著地提高了图像质量和尺寸，且降低了这类仪器的成本，从而使得它们不仅适用于工业应用，还可以被研究人员、大学、小型实验室、甚至普通民众所使用。

图像分辨率和质量对于分析观察样本的数据来说至关重要。显微镜的光学系统具有较短的工作距离和较大的数值孔径，导致景深狭窄，需要对研究样本系统地再对焦。本文描述了液体透镜的使用如何极大地提高了显微仪器的成像能力，同时克服了传统系统在体积、成本和坚固性等方面的局限性。

Corning® Varioptic® Lenses的介绍

受人眼功能的启发，液体透镜可以帮助制造商和代工企业获得比机械解决方案更高的速度和可靠性。人眼可以以令人难以置信的高速适应周边的环境，同样，康宁的液体透镜模拟眼睛的流动性和适应性特征，能够对可变场景作出快速响应。这一过程通过一种称为电润湿的技术得以实现，该技术使用电信号来操纵液体溶液形成能够工作的透镜。

传统的机械解决方案受限于连续可靠地提供清晰图像的能力。Corning® Varioptic® Lenses 提供了解决复杂光学难题的创新方案。Corning Varioptic的液体透镜在成像应用中可实现无移动部件的快速对焦和微距对焦。传统的相机系统需要的移动部件会在使用寿命内开始磨损并失效。相比之下，液体透镜在不使用任何机械移动部件的情况下即可运行，从而消除了通常跟视觉系统相关的大部分维护工作。

现代显微镜的挑战

在显微镜领域目前有两个主要的挑战：

第一个挑战涉及那些不受其它条件约束而制造的研究型显微镜，用于观察无限小的物体。挑战在于缩小到原子层面的纳米级别样品的观察。在这里，设备的尺寸、成本和坚固性并不重要，这类仪器主要用于研究的目的。

第二个挑战在于当前显微镜的设置不断改进，以解决它们普遍存在的受限：体积、成本、重量、能耗、坚固性、速度等等。

显微镜领域的主要关注点是图像质量，没有像样的图像就不可能从样本中提取出视觉信息。显微镜经常具有很短的工作距离，范围在几个毫米之间，且数值孔径较大用于捕捉最大的通光量，这会导致极窄的景深。通常通过机械部件或复杂的电子装置来平移光学系统，以最大化样本的清晰度或者扫描三维体积来实现对焦。轴向的分辨率（在深度方向上）取决于平移的准确性，这需要体积庞大、昂贵且易损坏的机械部件。这跟以可承受的价格制造具有同样出色光学性能的更紧凑、更坚固的光学仪器的全球趋势背道而驰。此外，移动整组光学镜片所需的时间为几十秒的量级，对于许多样本的分析，则会累积到几分钟、几小时、甚至几天。

近期发表在《Microscopy Today》1杂志上的一篇关于便携式显微镜的述评强调了对于在显微尺度下通过简单而坚固的方法捕捉图像的需求正不断增长。该论文指出，例如气候变化的影响或被忽视的热带疾病的研究已经促使科学家在诸如南极洲或亚马逊雨林等偏远地区进行广泛的研究。在野外时，不仅仅图像质量岌岌可危，显微仪器的体积、耐久性和能耗也至关重要。全球的趋势是设计出坚固而紧凑的便携式显微镜，可用于实验室外的任何地方。

液体透镜解决方案

Corning Varioptic Lenses是一种可以通过增加单个元件实现自动对焦的液体透镜。由于没有机械移动部件，液体透镜可以经受数亿次循环，具有低能耗以及传统驱动器所无法比拟的响应速度。其在自动对焦性能上的坚固性和准确性使其非常适用于任何需要大规模自动对焦的应用，例如显微镜应用的三维成像或深度扫描。

液体透镜可在物镜和场镜或者相机之间插入，集成到现有的显微镜设置中。下图展示了在一个尼康10倍显微物镜中加入一片A-58N0液体透镜，光线正穿过样本。

下图显示了集成和未集成液体透镜的尼康10倍显微物镜在没有二次机械对焦的条件下，对于不同成像深度的USAF目标拍摄的图像。该物镜的景深为3µm，工作距离为17.5mm。液体透镜带来的好处在于它快速电子重新对焦的能力，在无需手动重新对焦的情况下将图像的清晰度最大化。

使用案例1：红细胞成像检测镰状细胞

红细胞成像被用于检测慢性疾病，预防心源性和感染性休克或研究血液病理学。血液样本易于收集，但由于血液成分的尺寸较小，在细胞层次上的分析并不容易。红细胞通常为7µm，需要显著的放大才能成像。

在这个使用案例中，我们使用液体透镜观察不同设置下的红细胞。首先，使用尼康40倍的物镜，并将一片A-58N0液体透镜加到物镜的后方。得益于闭环的自动对焦算法，该算法通过循环将图像的锐度得分最大化，在没有平移平台的情况下液体透镜得以对生物样本微调对焦。

对于这个使用案例，深度轴上的30 µm平移相当于液体透镜的光焦变化10屈光度。该显微物镜的的景深为1µm，相当于液体透镜的0.33屈光度。在这个景深下液体透镜的预期响应时间约为80毫秒 (优化后的)。平均而言，自动对焦算法在达到最佳对焦之前需要记录并分析10帧图像，因此这个使用案例所需的对焦时间约为1秒。

通过使用Corning® Varioptic® Lenses的A-PE系列的V-sweep功能，可以加速提取最清晰图像的过程。该功能允许用户对电压的斜坡波形进行编程以扫描整个光焦范围。由于液体透镜没有瞬态像差，因此可以快速捕捉图像并在后期处理中进行分析以提取最佳对焦。斜坡波形可以针对任何使用案例进行调整：用户定义电压的上下限以及步长和时间。我们估计V-sweep 功能可以使提取最佳对焦图像的速度比标准的自动对焦算法最多快5倍。对于上述的红细胞成像案例，如果图像传感器能够足够快地获取图像 (对于这个使用案例帧频至少150fps)，则可以在200毫秒内实现完成相应的V-sweep 功能。

得益于液体透镜的对焦能力，很容易对红细胞进行计数并有效地分析其形状。这种紧凑且具有成本效益的解决方案也可用于观察镰状细胞。

使用案例2：Scanit Technologies的孢子分析

Scanit是一家美国公司，该公司开发了一款设备，通过在感染前物理探测空气传播的病原体来解决农业领域的迫切需求。该公司的解决方案捕捉空气传播的病原体孢子，并使用装有液体透镜的显微镜检查和分类病原体。这能帮助农场主和种植者采取必要的预防措施，最大限度地减少产量的损失，优化害虫管理实践，并控制他们对于农作物的行动效力。

Scanit的技术依赖于在粘性黑色介质上捕捉微观颗粒，并在白光和紫外荧光照明下使用基于液体透镜的暗场显微镜进行分析，如图8所示。每个病原体都有一个独特的特性，可使用机器学习的算法进行识别。嵌入式智能分析像素级别的微观信息，如颜色和光强度，同时也分析宏观线索，如颗粒形态、纹理和光频。

样本的图像质量至关重要，因为它们的识别依赖于将收集的数据与参考数据集进行比较。液体透镜有助于实现最佳的图像清晰度，并为后处理分析提供有用的信息。

所有的信息收集完以后，决策树回归算法会根据经过训练的AI之前收集到的数据对颗粒进行分类。

液体透镜结构紧凑，在恶劣的环境条件下非常坚固。此外，液体透镜的使用寿命超过数亿次循环，与类似的自动对焦解决方案相比，具有极高的能效（透镜本身< 1mW）。所有这些使得液体透镜成为在偏远地点需要自动对焦的嵌入式设备的理想选择。

Corning® Varioptic® Lenses的解决方案

Varioptic为显微镜应用提供了现成的解决方案。D-u-25H0-075-03是基于一个反向的7.5mm焦距的S接口镜头。它的分辨能力为1.2µm，放大倍数根据不同的后焦距，在2倍和5倍之间。得益于液体透镜的可调焦能力，成像深度范围在1.5到2mm。这使得用户可以扫描一个样本并得到一个完整的三维图像。第二个套件是基于一个反向的16mm焦距C接口镜头。它的分辨率是 2.2µm，放大倍数取决于后焦距，在3.4倍和6.4倍之间。

使用Corning® Varioptic®显微镜套件获得的样本图像

结论

显微镜的应用和形式极为多样，但都需要对研究的样本或物体反复进行对焦。这些系统的狭窄景深是由它们的设计方式而与生俱来的：

· 由于样本的尺寸较小，工作距离很短

· 数值孔径较大，以最大化光的输入

· 图像传感器像素尺寸很小，以最大化图像分辨率

因此，自动对焦对于形成足够清晰的图像用以在显微镜尺度下分析数据就显得至关重要了。为了克服使用机械驱动器的传统系统带来的体积、脆弱和成本问题，液体透镜允许用户自动调整单个光学元件的光焦来实现物体的再次对焦。

随着科学家们将研究从传统的实体实验室中移出，将必要的设备运输到野外成为了一个真正的挑战。嵌入式设备在过去的十年中不断涌现，而且它们的重要性也与日俱增。显微镜就是一个例子，还有其它的嵌入式成像技术也依赖于自动对焦来捕捉图像。Corning® Varioptic® 为需要可调光焦的成像应用提供了低成本、高质量的解决方案。

参考文献

[1]A. Monk, “Portable Microscopes for Scientific Publications” in Microscopy Today, 29(2), 16-19 (2021).

（文章作者Corning Varioptic Dr. Xavier Berthelon）