用于精密调焦与摆焦的液晶微镜和使用其的光学显微镜的制作方法

本实用新型属于光学显微成像观察、精密测量与控制技术领域，更具体地，涉及一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜和使用其的光学显微镜。

背景技术：

目前，通过光学显微镜观察厚度较大、表面形貌较为粗糙的样品(如典型的活性生物组织、细胞、基因等生物介质，或功能化微纳材料)时，所使用的宽波段光束或相干光束在照射样品和光反射这两个环节，会面临较强的光波散射、以及由此所导致的成像位置偏移、像场弱化、噪声增强、图像模糊、抖动以及重影等问题。

为了解决上述问题，常规的方法主要包括三种：第一，对水平或倾斜置放的样品执行平动、转动或摆动操作；第二，调节光学显微镜的放大倍率或视场；第三，使用基于点扩散函数对光学显微镜采集的图像信息进行锐化处理，并通过更为深入的深度学习与基于算法的训练，以获得本征的、或散射效应被减轻的目标图像。

然而，上述方法均存在一些不可忽略的缺陷：首先，针对上述第一种方法而言，由于机械移动调节的精度非常有限，常规光学显微镜并不具备实时、精细调变焦长(即调焦)和摆动成像光波焦点(即摆焦)这一功能，因此无法针对光波散射所导致的成像位置偏移实现精细调整；其次，针对上述第二种方法而言，由于常规光学光学显微镜不具备对倾斜成像面进行精细的层析化选择、或在成像面间快速捷变的能力，因此无法从根本上解决光波散射所导致的像场弱化和噪声增强这一问题；再次，由于包含物镜和目镜的显微成像光学系统具有基于点扩散函数的本征性，难以执行决定成像效能的点扩散函数的实时、连续或跳变式调节，因此无法解决光波散射所导致的成像位置偏移、像场弱化、以及图像模糊的问题；最后，由于光波散射会随着生物介质或功能化微纳材料的种类、活性、活动方式、环境情况、或分布区域的变化而呈现相异属性或特征，因此作为判别成像效能基准之一的点扩散函数将随之呈现空变或时变响应，因此无法解决光波散射所导致的成像位置偏移、像场弱化、以及图像模糊的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜和使用其的光学显微镜，其目的在于，解决现有光学显微镜中存在的上述技术问题，此外，本实用新型的光学显微镜还具有成像波束的调变效能高、对待观测样品和光场适应性好、操控灵活便捷、以及易与其它光学、光电、机械结构耦合的优点。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，包括从上至下依次平行设置的第一增透膜、第一基片、第一图案化电极、第一液晶层、第二液晶初始定向层、第一公共电极、第二基片、第三基片、第二公共电极、第三液晶初始定向层、第二液晶层、第二图案化电极、第四基片、以及第二增透膜，第一图案化电极、第一公共电极、第二公共电极、以及第二图案化电极彼此同心设置，第一图案化电极包括2ⁿ个沿圆周边缘均匀分布的子图案电极，其中n为大于或等于2的自然数，该圆周所在圆形的直径在100至500微米之间，第一图案化电极的第i个子图案电极分别连接到第一驱控信号组中驱控电压u1-i的一端，且有i∈[1,2ⁿ]，第二图案化电极包括多个将圆形沿着径向均匀切分为2ⁿ份后形成、且彼此电绝缘方式分隔排列的子图案电极，该圆形的直径在50至100微米范围内，第二图案化电极的第i个子图案电极分别连接到第二驱控信号组中驱控电压u2-i的一端，第一公共电极和第二公共电极中每一个的一端都连接到第一驱控信号组中均方驱控电压u1-i的另一端，第一公共电极和第二公共电极中每一个的另一端都连接到第二驱控信号组中均方驱控电压u2-i的另一端。

优选地，所述液晶微镜进一步包括设置在第一图案化电极和第一液晶层之间的第一液晶初始定向层，以及设置在第二液晶层和第二图案化电极之间的第四液晶初始定向层。

优选地，第一液晶初始定向层、第二液晶初始定向层、第三液晶初始定向层、以及第四液晶初始定向层完全相同，均由有机高分子材料制成，且厚度在100纳米到700纳米之间。

优选地，第一增透膜和第二增透膜均是由常规光学增透膜制成，二者厚度相同，均为100纳米到700纳米，第一基片、第二基片、第三基片、以及第四基片均是由透光材料制成，其厚度均为1毫米到5毫米，第一液晶层和第二液晶层完全相同，其厚度均为5微米到100微米。

优选地，第一公共电极和第二公共电极形状和大小完全相同，且均为实心圆形，其直径大于形成第一图案化电极的圆周所在圆的直径，形成第一图案化电极的圆周所在圆的面积大于第二图案化电极的所有图案子电极所占据区域的面积。

按照本实用新型的另一方面，提供了一种光学显微镜，包括沿着光路从左到右设置的第一物镜、第二物镜、上述用于精密调焦与摆焦的液晶微镜、以及光敏阵列，其中待测物设置在第一物镜背离第二物镜的一端。

按照本实用新型的另一方面，提供了一种光学显微镜，包括沿着光路从左到右设置的、上述用于精密调焦与摆焦的液晶微镜、第一物镜、第二物镜、以及光敏阵列，其中待测物设置在液晶微镜背离第一物镜的一端。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本实用新型通过在光学显微成像光路中配置用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，能够在无机械移动的情况下实现成像波束的电控调节焦点(即调焦)和电控摆动成像波束焦点(即摆焦)操作，从而具有可电控精细调整成像位置、图像清晰度和对比度的优点。

2、本实用新型的液晶微镜通过电控摆焦操作，可对倾斜成像面进行精细的层析化选择、以及成像面间的快速捷变处理，从而可实现光波散射条件下倾斜像场的图像校正、弱化像场增强、以及光学去噪。

3、本实用新型的液晶微镜可对时变或空变点扩散函数进行电控调节，从而能够解决光波散射所导致的成像位置偏移、像场弱化、以及图像模糊的问题。

4、本实用新型的液晶微镜可在先验知识或显微成像情况的约束、干预或引导下进行调焦和摆焦操作，具有智能化特征。

5、由于本实用新型采用液晶微镜执行成像波束的精细聚束调节，因此具有极高的结构、电学和电光参数的稳定性，控制精度高。

6、本实用新型采用液晶微镜执行功能化控光操作，在光路中接插方便，易与其他光学、光电、或机械结构耦合。

附图说明

图1是根据本实用新型一种实施方式，包括用于精密调焦与摆焦的液晶微镜的光学显微镜处于摆焦工作状态的示意图；

图2是根据本实用新型另一种实施方式，包括用于精密调焦与摆焦的液晶微镜的光学显微镜处于摆焦工作状态的示意图；

图3是根据本实用新型又一种实施方式，包括用于精密调焦与摆焦的液晶微镜的光学显微镜处于调焦和摆焦工作状态的示意图；

图4是根据本实用新型又一种实施方式，包括用于精密调焦与摆焦的液晶微镜的光学显微镜处于调焦和摆焦工作状态的示意图；

图5是本实用新型一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜的结构示意图；

图6是本实用新型另一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜的结构示意图；

图7是本实用新型用于精密调焦与摆焦的液晶微镜中第一图案化电极的结构示意图；

图8是本实用新型用于精密调焦与摆焦的液晶微镜中第二图案化电极的结构示意图；

图9是本实用新型用于精密调焦与摆焦的液晶微镜中公共电极的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-第一增透膜；2-第一基片；3-第一图案化电极；4-第一液晶初始定向层；5-第一液晶层；6-第二液晶初始定向层；7-第一公共电极；8-第二基片；9-第三基片；10-第二公共电极；11-第三液晶初始定向层；12-第二液晶层；13-第四液晶初始定向层；14-第二图案化电极；15-第二增透膜；16-第四基片。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图5所示，根据本实用新型的第一种实施方式，提供了一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，包括从上至下依次平行设置的第一增透膜1、第一基片2、第一图案化电极3、第一液晶初始定向层4、第一液晶层5、第二液晶初始定向层6、第一公共电极7、第二基片8、第三基片9、第二公共电极10、第三液晶初始定向层11、第二液晶层12、第四液晶初始定向层13、第二图案化电极14、第四基片15、以及第二增透膜16。

第一增透膜1和第二增透膜16均是由常规光学增透膜制成，二者厚度相同，均为100纳米到700纳米。

第一基片2、第二基片8、第三基片9、以及第四基片15均是由透光材料(诸如石英、玻璃等)制成，其厚度均为1毫米到5毫米。

第一液晶层5和第二液晶层12完全相同，其厚度均为5微米到100微米。

第一液晶初始定向层4、第二液晶初始定向层6、第三液晶初始定向层11、以及第四液晶初始定向层13完全相同，均由诸如聚酰亚胺(polymide，简称pi)的有机高分子材料制成，且厚度在100纳米到700纳米之间。

第一图案化电极3、第一公共电极7、第二公共电极10、以及第二图案化电极14彼此同心设置。

如图7所示，第一图案化电极3包括2ⁿ个沿圆周边缘均匀分布的子图案电极(其中n为大于或等于2的自然数)，该圆周所在圆形的直径在100至500微米之间。

在图7中，该子图案电极是通过用一条曲线取代矩形一个边构成，且该曲线与圆周重合。第一图案化电极3的第i个子图案电极分别连接到第一驱控信号组中驱控电压u1-i的一端，且有i∈[1,2ⁿ]。

在其他实施方式中，子图案电极也可以是梯形、矩形等。

如图8所示，第二图案化电极14包括多个将圆形沿着径向均匀切分为2ⁿ份后形成、且彼此电绝缘方式分隔排列的子图案电极，该圆形的直径在50至100微米范围内。

该子图案电极可以是1/2ⁿ圆形(如图8所示是1/4圆形)、三角形、矩形、正方形、圆形等。第二图案化电极14的第i个子图案电极分别连接到第二驱控信号组中驱控电压u2-i的一端。

如图9所示，第一公共电极7和第二公共电极10形状和大小完全相同，且均为实心圆形，其直径大于形成第一图案化电极3的圆周所在圆的直径，形成第一图案化电极3的圆周所在圆的面积大于第二图案化电极14的所有图案子电极所占据区域的面积。

第一公共电极7和第二公共电极10中每一个的一端都连接到第一驱控信号组中均方驱控电压u1-i的另一端，第一公共电极7和第二公共电极10中每一个的另一端都连接到第二驱控信号组中均方驱控电压u2-i的另一端。

第一驱动信号组中各个均方驱控电压的大小可以相同，也可以不同；第二驱动信号组中各个均方驱控电压的大小可以相同，也可以不同。

如图6所示，根据本实用新型的第二种实施方式，提供了一种用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，其结构和第一种实施方式中用于精密调焦与摆焦的液晶微镜基本相同，唯一的区别在于该液晶透镜并不包括第一种实施方式中的第一液晶初始定向层4以及第四液晶初始定向层13。除此以外，各个图案化电极、公共电极、液晶层、基片、以及增透膜的结构均和第一种实施方式的完全相同，在此不再重复赘述。

如图1所示，其示出根据本实用新型一种实施方式的光学显微镜，其包括沿着光路从左到右设置的第一物镜、第二物镜、如上所述的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜(其工作在摆焦状态)、以及光敏阵列，其中待测物设置在第一物镜背离第二物镜的一端。

从图1可以看出，在没有使用本实用新型的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜之前，可以看到实际光线的聚焦光斑在显微镜的光敏阵列下端(如图中的焦点-a所示)，产生因测试环境介质原因导致的成像位置偏移现象，虚线部分即未受环境介质干扰的光线其聚焦光斑将分布在显微镜的光敏阵列上端(如图中的虚焦点-a所示)，通过在第二物镜和光敏阵列之间放置本实用新型的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，能够通过对该用于精密调焦与摆焦的液晶微镜施加外部控制信号，使其工作在焦点摆动态，从而能够将聚焦光斑投射在光敏阵列的正确位置上执行成像操作。

如图2所示，其示出根据本实用新型一种实施方式的光学显微镜，其包括沿着光路从左到右设置的、如上所述的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜(其工作在摆焦状态)、第一物镜、第二物镜、以及光敏阵列，其中待测物设置在液晶微镜背离第一物镜的一端。

在图2中，虚线指示未受环境介质干扰和液晶微镜作用的成像光路并形成沿其行进的光线汇聚后的虚焦点-b，实线表示穿过环境介质、液晶微镜、物镜-1和物镜-2的实际光路。

从图2可以看出，通过在第一物镜和观测物之间放置本实用新型的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，可将受环境介质影响而偏离预设成像光路的光线加以摆动，使其焦点与虚焦点-b重合，从而去除环境介质对成像位置的影响。

如图3所示，其示出根据本实用新型一种实施方式的光学显微镜，其包括沿着光路从左到右设置的第一物镜、第二物镜、如上所述的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜(其工作在调焦和摆焦状态)、以及光敏阵列，其中待测物设置在第一物镜背离第二物镜的一端。

在图3中，虚线指示未受环境介质干扰的由虚物出射的成像光路并形成沿其行进的光线汇聚后的焦点-c，实线表示穿过环境介质、物镜-1和物镜-2的实际光路，虚焦点-c为实际穿过物镜-2的汇聚光线的延长线交点。

从图3可以看出，通过在第二物镜和光敏阵列之间放置本实用新型的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，能够通过对该液晶微镜施加外部控制信号，使其工作在调焦和摆焦态，即完成将成像光束的焦点从虚焦点-c处沿光轴移动到光敏阵列与光轴交点处，以及进一步摆动到焦点-c处这两项操作，从而能够将聚焦光斑投射在光敏阵列的正确位置上执行成像操作，实现清晰成像。

如图4所示，其示出根据本实用新型一种实施方式的光学显微镜，其包括沿着光路从左到右设置的、如上所述的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜(其工作在调焦和摆焦状态)、第一物镜、第二物镜、以及光敏阵列，其中待测物设置在液晶微镜背离第一物镜的一端。

在图4中，虚线指示由虚物-1出射的未受环境介质干扰和液晶微镜作用的成像光路，并形成沿其行进的光线汇聚后的虚焦点-d，实线指示穿过环境介质、液晶微镜、物镜-1和物镜-2的实际光路，并形成沿其行进的光线汇聚后的焦点-d，穿过环境介质并被液晶微镜作用后的实际光线由虚物-2出射。

从图4可以看出，通过在第一物镜和待测物之间放置本实用新型的用于精密调焦与摆焦的液晶微镜，能够通过对该液晶微镜施加外部控制信号，使其工作在调焦态与摆焦态，可将受环境介质影响而偏离预设成像光路的光线加以移动，使其焦点-d与虚焦点-d重合，从而去除环境介质对成像位置的影响而准确成像。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。