本发明属于光学显微成像观察与精密测量技术领域，更具体地，涉及一种电控液晶物镜及使用其的万级放大倍率光学显微镜。
背景技术
迄今为止，常规光学显微镜的最大放大倍率在2千倍至3千倍间，其能够清晰分辨的最小结构的典型尺寸在几个微米尺度，成像景深在百纳米程度。在光学显微镜的工作过程中，其通过最高具有微米级移动精度的手动或机械调焦方式，以微米级度量精度选取不同物距或深度处的目标，执行显微成像观察与测量操作，并以更换物镜方式，获取成像视场中结构尺寸呈现显著差异的不同目标图像。
然而，现有光学显微镜具有一些不可忽略的问题：第一，其仅能观测样品的表面形貌和结构特征，对亚微米甚至纳米结构尺寸的样品或具有强散射特征的活性生物组织，显示出显微成像与观测能力严重不足；第二，为了增加显微成像能力而采用的万级以上放大倍率的显微成像操作通常采用电子显微镜实现，其设备价格动辄以百万人民币计，价格昂贵，且对工作环境的温度、湿度和洁净度有较高要求；第三，由于成像操作以高能电子束为执行媒介，会造成样品的表面形貌结构污染，这需要对测试样品采用附加的电子导流措施，从而增加了使用复杂度；第四，由于其采用电子接触式的显微成像观测方式，会损伤甚至破坏置放在高真空环境中的活性生物组织，从而导致该显微镜难以在典型的生化领域获得广泛使用。
技术实现要素：
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种电控液晶物镜及使用其的万级放大倍率光学显微镜，其目的在于，通过采用通光孔径和焦距电调变的电控液晶微镜作为显微成像系统的物镜，解决现有光学显微镜存在的对亚微米甚至纳米结构尺寸的样品或具有强散射特征的活性生物组织显微成像与观测能力差的技术问题，采用电子显微镜导致使用成本高昂的技术问题，对样品的表面形貌结构造成污染、使用复杂度高的技术问题，以及由于采用电子接触式的显微成像观测而导致损伤甚至破坏置放在高真空环境中的活性生物组织的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种电控液晶物镜，其包括平行设置的第一增透膜、至少两个环形图案电极、至少一个第一基片、第一pi定向层、液晶层、第二pi定向层、公共电极、第二基片、以及第二增透膜，所有环形图案电极从上至下彼此平行地设置在第一增透膜的下方，所有环形图案电极的中心在垂直方向上重合，所有环形图案电极的外径大小相同，内径从上往下逐渐递减，第一基片设置在相邻的两个环形图案电极之间，第一pi定向层设置在最下方的环形图案电极下部，公共电极设置在第二pi定向层和第二基片之间，且中心与环形图案电极的中心在垂直方向上重合，公共电极的直径与最上方的环形图案电极的外径完全相同，公共电极的一端与各个环形图案电极的一端分别连接到不同的外部电压u1、u2、u3、…un，用于使电控液晶物镜在不同放大倍率下工作，其中n表示环形图案电极的数量。
按照本发明的另一方面，提供了一种电控液晶物镜，其包括平行设置的第一增透膜、至少两个环形图案电极、至少两个第一基片、第一pi定向层、液晶层、第二pi定向层、公共电极、第二基片、以及第二增透膜，所有第一基片设置在第一增透膜的下方，环形图案电极的数量与第一基片的数量相同，所有环形图案电极从上至下彼此平行地设置在第一增透膜的下方，除了最下方的环形图案电极设置于最下方的第一基片与第一pi定向层之间以外，其余所有环形图案电极中的每一个均设置在相邻第一基片之间，所有环形图案电极的中心在垂直方向上重合，所有环形图案电极的外径大小相同，内径从上往下逐渐递减，公共电极设置在第二pi定向层和第二基片之间，且中心与环形图案电极的中心在垂直方向上重合，公共电极的直径与最上方的环形图案电极的外径完全相同，公共电极的一端与各个环形图案电极的一端连接到不同的外部电压u1、u2、u3、…un，用于使电控液晶物镜在不同放大倍率下工作，其中n表示环形图案电极的数量。
优选地，第一基片和第二基片均是由透光石英、光学树脂、玻璃、和/或塑料材料制成，厚度为1毫米到5毫米。
优选地，第一增透膜和第二增透膜均是由适用于可见光谱域的常规光学增透材料制成，其厚度为100纳米到800纳米。
优选地，液晶层设置在第一pi定向层和第二pi定向层之间，其厚度在5微米到500微米。
优选地，环形图案电极和公共电极都是由金属氧化物制成，其厚度在50纳米至500纳米范围内。
按照本发明的又一方面，提供了一种用于制备上述电控液晶物镜的方法，包括以下步骤：
(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对第一基片、第二基片、第三基片和第四基片进行超声清洗并烘干；
(2)在干燥后的第一基片、第二基片、以及第三基片的反面以及第四基片的正面上用匀胶机涂覆光刻胶并烘干5至20分钟；
(3)将光刻版盖在第一基片、第二基片和第三基片的反面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理；
(4)将光刻版盖在第四基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理。
(5)用显影液溶掉第一基片、第二基片、第三基片和第四基片上感光/未感光部分的光刻胶，留下未感光/感光部分，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。
(6)用浓度在50％～30％的盐酸溶液把第一基片、第二基片、第三基片和第四基片上未受光刻胶保护的金属氧化物腐蚀掉，而将有光刻胶保护的金属氧化物保存下来，以分别形成第一基片、第二基片和第三基片上由金属氧化物微孔形成的图案电极，以及第四基片上由金属氧化物形成的公共电极。
(7)用丙酮和去离子水对腐蚀后的第一基片、第二基片、第三基片和第四基片上金属氧化物电极上的残余材料进行清洗并烘干；
(8)用匀胶机在第三基片的图案电极和第四基片的公共电极上涂覆pi定向层，并把涂覆了pi定向层的第三基片和第四基片放入退火炉中进行退火固化处理。
(9)用绒布沿平行于第三基片和第四基片的同向边缘的方向摩擦pi定向层，以形成第一pi定向层和第二pi定向层。
(10)在第一基片无图案电极的另一侧端面上制作第一增透膜，将第一基片设有图案电极端面一侧与第二基片无图案电极端面一侧紧密贴合，将第三基片无图案电极端面一侧与第二基片设有图案电极端面一侧紧密贴合并保持各图案电极的微孔中心线重合，使第一基片、第二基片和第三基片上形成的图案电极保持相同形态图案，从而构成电控液晶微镜的上电极板；在第四基片无公共电极的另一侧端面上制作第二增透膜，从而构成电控液晶微镜的下电极板。
(11)将玻璃间隔子掺入上电极板的第一pi定向层与下电极板的第二pi定向层间，且位于二者的边缘处，用uv胶封住上电极板和下电极板的左右两侧，通过渗透法灌注向列型液晶在二者之间，并使用uv胶封住上电极板和下电极板的上下两侧并烘干。
优选地，第一基片、第二基片和第三基片上的图案电极为微孔图案电极，且分别通过一根与微孔图案电极上的金属氧化物相连的细导线引出，第四基片上的公共电极与第一基片、第二基片和第三基片上的图案电极有相同的轮廓尺寸，并通过一根与该公共电极上的金属氧化物相连的细导线引出。
按照本发明的再一方面，提供了一种万级放大倍率光学显微镜，包括上述电控液晶物镜、以及目镜。
一种上述万级放大倍率光学显微镜的工作方法，工作过程中，成像目标被置于电控液晶物镜的物方焦面外侧略大于物方焦距处，电控液晶物镜所成的一次放大像位于目镜的物方焦面内侧小于物方焦距处，并进一步通过目镜成放大虚像，通过调变电控液晶物镜的焦距和通光孔径，实现电控液晶物镜在不同放大倍率下工作。
总体而言，通过本发明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、与常规光学显微镜相比，本发明的万级放大倍率光学显微镜能够提高一个量级以上的成像放大倍率进行显微成像观察与精密测量；
2、与常规光学显微镜相比，本发明万级放大倍率光学显微镜中的成像物镜采用电控液晶微镜，具有成本低、成像观测的控制精度高、使用灵活便捷的优点；
3、本发明的万级放大倍率光学显微镜在常规环境条件下执行非接触非破坏式的显微成像观测，不会对样品的表面形貌结构造成污染，不会损伤活性生物组织，并因此具有适用于多种微纳米级特征结构尺寸的固体或液体样品、细胞及活性生物组织等的优点；
4、本发明的万级放大倍率光学显微镜通过无机械移动的液晶物镜调节通光孔径与焦长，能够适用于多尺度多深度目标的显微成像观测，且具备景深大、成像能力强的特点；
5、本发明电控液晶物镜是基于标准微电子工艺制作，具有制作成本低，电学以及电光参数的稳定性和可靠性高、价格相对低廉、在光路中接插方便、以及易与其他光学、光电和机械结构匹配的优点。
附图说明
图1是本发明使用电控液晶物镜的万级放大倍率光学显微镜的成像光路示意图。
图2是根据本发明第一实施方式的电控液晶物镜基本结构示意图。
图3是根据本发明第二实施方式的电控液晶物镜基本结构示意图。
图4(a)至(c)是本发明内径从上往下逐渐递减的多个环形图案电极的示意图。
图5是本发明用于制备电控液晶物镜的方法的流程图。
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-电控液晶物镜；2-目镜；3-第一增透膜；4-第一基片；5-环形图案电极；6-第二基片；10-第一pi定向层；11-液晶层；12-第二pi定向层；13-公共电极；15-第二增透膜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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。
本发明的基本思路在于，通过采用通光孔径和焦距电调变的电控液晶微镜作为显微成像系统的物镜，在基本保持常规光学显微镜结构特征基础上，增加电控液晶物镜的电子学驱控装置，构建具有万级放大倍率的光学显微成像观察与测量系统。具有光学显微成像放大倍率较常规光学显微镜高一个量级以上，可对微纳米级特征结构尺寸的多种固体或液体样品、细胞及活性生物组织等，在常规环境条件下执行非接触非破坏式的显微成像观测，通过液晶物镜执行无机械移动的电控通光孔径与焦长调变所带来的成像观测效能高，景深大，适用于多尺度多深度目标，使用灵活便捷，成本低等优点。
如图2所示，根据本发明第一种实施方式，提供了一种电控液晶物镜，其包括平行设置的第一增透膜3、至少两个环形图案电极5、至少一个第一基片4、第一pi定向层10、液晶层11、第二pi定向层12、公共电极13、第二基片6、以及第二增透膜15。
第一增透膜3和第二增透膜15均是由适用于可见光谱域的常规光学增透材料制成，其厚度为100纳米到800纳米。
所有环形图案电极5平行地设置在第一增透膜3的下方，所有环形图案电极5的圆心在垂直方向上重合，所有环形图案电极5的外径大小相同，内径从上往下逐渐递减(如图4(a)至(c)所示)。
所有环形图案电极5的外径相同，均小于等于2毫米，最下方的环形图案电极9的内径为100微米至500微米之间。
在本实施方式中，环形图案电极5的数量为小于或等于7个。
应该注意的是，在图2中，仅仅出于示例的目的，仅仅示出了三个环形图案电极，其不应该构成对本发明环形图案电极数量的限定。
第一基片4设置在相邻的两个环形图案电极5之间，其是由透光石英，光学树脂、玻璃、和/或塑料等材料制成，其厚度为1毫米到5毫米。
第一pi定向层10设置在最下方的环形图案电极5下部。
液晶层11设置在第一pi定向层10和第二pi定向层12之间，其厚度在5微米到500微米。
公共电极13设置在第二pi定向层12和第二基片6之间，其形状为圆形，且圆心与环形图案电极5的圆心在垂直方向上重合，公共电极13的直径与最上方的环形图案电极5的外径完全相同。
环形图案电极5和公共电极13都是由金属氧化物(如ito材料等)制成，其厚度在50纳米至500纳米范围内。
第一基片4和第二基片6是由同种光学材质制成。
公共电极13的一端分别与从上至下方向上的各个环形图案电极5的一端连接到不同的外部电压u1、u2、u3、…un(其中n表示环形图案电极的数量，u1、u2、u3、…un的取值范围是1伏到70伏)，用于使电控液晶物镜在不同放大倍率下工作。
具体而言，在物镜上加载u1驱控信号时，电控液晶物镜将工作在低放大倍率档，加载u2驱控信号时工作在中放大倍率档，加载u3驱控信号时工作在高放大倍率档。
在其他实施方式中，依据目标情况和成像观测要求，也可将u1、u2、u3、…un驱控信号以组合方式同时加载，形成复合加电下的显微成像观测模式。
第二增透膜设置在第二基片6的下部。
如图3所示，根据本发明第二种实施方式，提供了一种电控液晶物镜，其包括平行设置的第一增透膜3、至少两个环形图案电极5、至少两个第一基片4、第一pi定向层10、液晶层11、第二pi定向层12、公共电极13、第二基片6、以及第二增透膜15。
第一增透膜3和第二增透膜15均是由适用于可见光谱域的常规光学增透材料制成，其厚度为100纳米到800纳米。
所有第一基片4平行设置在第一增透膜3的下方。
环形图案电极5的数量与第一基片4的数量相同。
所有环形图案电极5平行地设置在第一增透膜3的下方，除了最下方的环形图案电极5设置于最下方的第一基片4与第一pi定向层10之间以外，其余所有环形图案电极5中的每一个均设置在相邻第一基片4之间，所有环形图案电极5的圆心在垂直方向上重合，所有环形图案电极5的外径大小相同，内径从上往下逐渐递减(如图4(a)至(c)所示)。
最上方的环形图案电极5的外径为小于等于2毫米，最下方的环形图案电极5的外径为150微米至500微米之间。
在本实施方式中，环形图案电极5的数量为小于或等于7个。
应该注意的是，在图3中，仅仅出于示例的目的，仅仅示出了2个环形图案电极，其不应该构成对本发明环形图案电极数量的限定。
环形图案电极5和公共电极13都是由金属氧化物(如ito材料等)制成，其厚度在50纳米至500纳米范围内。
液晶层11设置在第一pi定向层10和第二pi定向层12之间。
公共电极13设置在第二pi定向层12和第二基片6之间，其形状为圆形，且圆心与环形图案电极5的圆心在垂直方向上重合，公共电极13的直径与最上方的环形图案电极5的外径完全相同。
公共电极13的一端分别与从上至下方向上的各个环形图案电极5的一端连接到不同的外部电压u1、u2、u3、…un(其中n表示环形图案电极的数量)，用于使电控液晶物镜在不同放大倍率下工作。
具体而言，在物镜上加载u1驱控信号时，电控液晶物镜将工作在低放大倍率档，加载u2驱控信号时工作在中放大倍率档，加载u3驱控信号时工作在高放大倍率档。
在其他实施方式中，依据目标情况和成像观测要求，也可将u1、u2、u3、…un驱控信号以组合方式同时加载，形成复合加电下的显微成像观测模式。第一基片4和第二基片6为同种光学材质制成。
第二增透膜设置在第二基片6的下部，由适用于可见光谱域的常规光学增透材料制成，其厚度为100纳米到800纳米。
如图1所示，本发明使用电控液晶物镜的万级放大倍率光学显微镜包括电控液晶物镜1和目镜2，在成像观测过程中，成像目标被置于电控液晶物镜1的物方焦面外侧略大于物方焦距处，电控液晶物镜1所成的一次放大像位于目镜2的物方焦面内侧小于物方焦距处，并进一步通过目镜2成放大虚像。通过调变电控液晶物镜1的焦距和通光孔径，实现显微成像的放大倍率、成像景深、不同物方深度处的目标以及同一视场中的不同目标的选择与成像观测。
如图5所示，本发明还提供了一种用于制备上述电控液晶物镜的方法，包括以下步骤：
(1)依次采用丙酮、酒精和去离子水溶剂对第一基片、第二基片、第三基片和第四基片进行超声清洗并烘干。
(2)在干燥后的第一基片、第二基片和第三基片的反面以及第四基片的正面上用匀胶机涂覆正性光刻胶(或负性光刻胶)并烘干5至20分钟。
(3)将特定光刻版盖在第一基片、第二基片和第三基片的反面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理。
(4)将特定光刻版盖在第四基片的正面，用光刻机的紫外光进行光刻10至30秒，并经过显影、腐蚀和清洗处理。
(5)用显影液溶掉第一基片、第二基片、第三基片和第四基片上感光部分的光刻胶(或未感光部分的光刻胶)，留下未感光部分(或感光部分)，然后用去离子水冲洗并烘干2至5分钟。
(6)用浓度在50％～30％的盐酸溶液把第一基片、第二基片、第三基片和第四基片上未受光刻胶保护的金属氧化物(如ito膜)腐蚀掉，而将有光刻胶保护的金属氧化物(如ito膜)保存下来，以分别形成第一基片、第二基片和第三基片上由金属氧化物(如ito)微孔形成的图案电极，以及第四基片上由金属氧化物(如ito膜)形成的公共电极。
具体而言，第一基片上的图案电极为微孔图案电极，微孔可为圆形或矩形，典型的圆形微孔其孔径在亚毫米级，通过一根与微孔图案电极上的金属氧化物(如ito膜)相连的细导线引出。
第二基片上的图案电极也为微孔图案电极，微孔同样可为圆形或矩形，典型的圆形微孔其孔径在百微米级，同样通过一根与微孔图案电极上的金属氧化物如(ito膜)相连的细导线引出。
第三基片上的图案电极仍为微孔图案电极，微孔同样可为圆形或矩形，典型的圆形微孔其孔径在几十微米级，同样通过一根与微孔图案电极上的金属氧化物(如ito膜)相连的细导线引出。
第四基片上的公共电极与第一基片、第二基片和第三基片上的图案电极有相同的轮廓尺寸，并通过一根与该公共电极上的金属氧化物(如ito膜)相连的细导线引出。
(7)用丙酮和去离子水对腐蚀后的第一基片、第二基片、第三基片和第四基片上金属氧化物电极上的残余材料进行清洗并烘干；
(8)用匀胶机在第三基片的图案电极和第四基片的公共电极上涂覆pi定向层，并把涂覆了pi定向层的第三基片和第四基片放入退火炉中进行退火固化处理。
(9)用绒布沿平行于第三基片和第四基片的同向边缘的方向摩擦pi定向层，以形成第一pi定向层和第二pi定向层。
(10)在第一基片无图案电极的另一侧端面上基于常规方法制作第一增透膜，将第一基片设有图案电极端面一侧与第二基片无图案电极端面一侧紧密贴合，将第三基片无图案电极端面一侧与第二基片设有图案电极端面一侧紧密贴合并保持各图案电极的微孔中心线重合，使第一基片、第二基片和第三基片上形成的图案电极保持相同形态图案(如均为圆形开孔或矩形开孔等)，从而构成电控液晶微镜的上电极板；在第四基片无公共电极的另一侧端面上基于常规方法制作第二增透膜，从而构成电控液晶微镜的下电极板。
(11)将玻璃间隔子掺入上电极板的第一pi定向层与下电极板的第二pi定向层间，且位于二者的边缘处，用uv胶封住上电极板和下电极板的左右两侧，通过渗透法灌注向列型液晶在二者之间，并使用uv胶封住上电极板和下电极板的上下两侧并烘干。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，针对现有技术缺陷，提供了一种采用电控液晶微镜作为成像物镜从而具有万级放大倍率的光学显微镜。具有将光学显微成像放大倍率最大提高至万倍级，可对微纳米级特征结构尺寸的多种固体或液体样品、细胞及活性生物组织等多尺度多深度目标，在常规环境条件下执行非接触非破坏式的显微成像观测，景深大，使用灵活便捷，成本低等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。