电控液晶级联芯片和使用其的偏光显微镜的制作方法

本实用新型属于显微成像技术领域，更具体地，涉及一种电控液晶级联芯片和使用其的偏光显微镜。

背景技术：

在现今的光学显微成像领域，偏光显微镜得到了日益广泛的应用。为了实现不同放大倍率下的操作，现有的偏光显微镜通常是需要手动更换不同倍率的物镜或对物镜进行机械调焦操作，而在对具有强散射特征的活性生物质(如典型的细胞组织或基因等)进行观测时，需要在成像光路中加入具有成像光波从优振动取向适配能力的偏光片或偏光镜组。

然而，上述偏光显微镜都存在一些不可避免的缺陷：第一，其显微放大成像能力是固定(典型的如5倍、10倍等放大倍率)且不能精细调节的；第二，显微物镜的通光孔径伴随该偏光显微镜的固定放大倍率而同样呈现断续性，从而导致成像的匹配性差；第三，显微物镜的结构尺寸大、响应慢、机械惯性大、物理状态转换时间长，这会导致在需要更换成像镜头、调焦操作、或加入偏振片或偏振镜组后，无法进行光学状态的任意切入或跳变(例如直接需要从5倍调节到22倍等)，调焦的机械运动会影响成像操作稳定性；第四，伴随着更换成像镜头或调焦过程的连续进行，在长焦或短焦端的像质常显著降低；第五、更换成像镜头、调焦操作、或加入偏振片或偏振镜组会导致成像过程中断，造成成像完整性和实时性差，因此使得该种显微物镜不适用于活性生物质的快速过程检测；第六，更换成像镜头、调焦操作、或加入偏振片或偏振镜组会导致无法快速调变景深以及可清晰成像的像场深度；第七，更换成像镜头、调焦操作、或加入偏振片或偏振镜组会导致无法快速切换成像面或对焦面而对不同深度处的微纳目标清晰成像；第八，更换成像镜头、调焦操作、或加入偏振片或偏振镜组会导致无法实现快速调变成像视场；第九，显微镜的体积和质量大，操作繁杂；第十，更换成像镜头、调焦操作、或加入偏振片或偏振镜组都需要在开放性的工作环境中进行，这会导致有密闭性要求的成像目标受环境干扰甚至污染。

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电控液晶级联芯片和使用其的偏光显微镜，其目的在于，解决现有偏光显微镜中存在的上述技术问题，其工作过程中无需更换成像镜头或执行机械调焦操作，也无需加入偏振片或偏振镜组，从而克服了机械移动或转动控光所带来的诸多弊端，并具有成像波束调控效能高、成像光场适应性好、成像系统体积和质量小、环境适应性好的优点。

为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种电控液晶级联芯片，包括由多个平行设置的电控液晶微镜组成的电控液晶微镜组，多个电控液晶微镜的光轴在垂直方向上重合，相邻两个电控液晶微镜的放置方向相反，每个电控液晶微镜包括从上到下平行设置的第一基片、图案电极、第一定向层、液晶层、第二定向层、公共电极、以及第二基片，在从上到下的方向上，各个电控液晶微镜中图案电极的孔径逐渐减小，孔径最大的图案电极的孔径大小是2-3毫米，孔径最小的图案电极的孔径大小是100-200微米，各个电控液晶微镜的图案电极和公共电极的一端分别连接到外部电压信号U1，U2，…，Un，其中n表示电控液晶微镜组中电控液晶微镜的总数。

优选地，所述电控液晶级联芯片进一步包括分别设置在电控液晶微镜组顶部和底部的第一增透膜和第二增透膜。

优选地，所有电控液晶微镜的图案电极的形状完全相同，图案电极的形状是圆环形或者方环形。

优选地，对于每个电控液晶微镜而言，其公共电极的形状和大小与其图案电极的形状和大小完全对应。

优选地，在需要调节偏光显微镜的通光孔径时，需要对该通光孔径大小对应的图案电极加电，并进行调节操作，在需要调节偏光显微镜的像质时，需要对多个图案电极中的至少两个加电，并进行调节操作。

优选地，电控液晶级联芯片是封装在壳体内，该壳体的顶部和底部别设置有第一光窗和第二光窗，壳体的侧方设置有电子学接口，用于从电控液晶级联芯片中的各个电控液晶微镜上引出电线并连接到外部电压，壳体顶部/底部的圆周上设置有标识符，用于指示孔径最大的图案电极靠近该壳体的顶部/底部。

按照本实用新型的另一方面，提供了一种电控液晶级联芯片实现的偏光显微镜，包括沿光轴方向顺序平行设置的第一物镜、第二物镜、上述电控液晶级联芯片、以及光敏阵列，待测物被放置在第一物镜远离第二物镜的一侧。

按照本实用新型的又一方面，提供了一种电控液晶级联芯片实现的偏光显微镜，包括沿光轴方向顺序平行设置的、上述电控液晶级联芯片、第一物镜、第二物镜、以及光敏阵列，待测物被放置在电控液晶级联芯片远离第一物镜的一侧。

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、本实用新型的显微镜可根据通光孔径情况匹配选择对应孔径的图案电极加电，即可实现对孔径的电动调节，完全无需更换成像镜头或调焦操作，从而克服了现有显微镜中由于更换成像镜头或调焦操作所导致的成像操作稳定性差的技术问题；

2、本实用新型通过对所有图案电极加电，即可实现像质的电控调节，完全无需更换物镜、插入偏振片或偏振镜组的操作，从而克服了现有显微镜中由于需要更换物镜、插入偏振片或偏振镜组所导致的成像操作稳定性差的技术问题；

3、本实用新型的显微镜通过协同电调多个电控液晶微镜芯片，具有可快速调变成像面或对焦面、景深及像场深度，从而避免干扰、破坏待测样品或环境的特点。

4、本实用新型的显微镜通过级联耦合多个电控液晶微镜芯片，实现基于微纳光场调变的显微成像放大能力、成像视场与通光孔径的连续电控调节。

5、本实用新型通过电选电调级联耦合的电控液晶微镜芯片，有效保持成像过程的实时性、连续性和完整性。

6、本实用新型通过电控液晶微镜其本征控偏属性执行显微偏振成像，具有光偏振态操控简便的特点。

7、本实用新型是基于微纳成像光场执行加电操控，可在先验知识或成像情况导引下对显微成像操作进行约束、干预或引导，具有智能化特性。

8、由于本实用新型采用了可精密电驱控的液晶微镜芯片，具有极高的结构、电学以及电光参数的稳定性和控制精度。

9、本实用新型所构造的电控液晶级联芯片，具有在显微成像光路中接插方便，易与其他功能结构匹配耦合的特点。

附图说明

图1是本实用新型电控液晶级联芯片的结构示意图；

图2是本实用新型电控液晶级联芯片中图案电极的俯视图，其中图2(a)示出的是圆形图案电极，图2(b)示出的是方形图案电极；

图3是本实用新型电控液晶级联芯片的封装示意图，其中图3(a)示出圆形的封装结构，图3(b)示出的是方形的封装结构；

图4是根据本实用新型第一实施方式，使用上述电控液晶级联芯片的偏光显微镜的示意图；

图5是根据本实用新型第二实施方式，使用上述电控液晶级联芯片的偏光显微镜的示意图。

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-第一物镜，2-第二物镜，3-光敏阵列，5-第一增透膜，6-第一基片，7-第一图案电极，8-第一液晶定向层，9-第一液晶层，10-第二液晶定向层，11-第一公共电极，12-第二基片，13-第三基片，14-第二公共电极，15-第三液晶定向层，16-第二液晶层，17-第四液晶定向层，18-第二图案电极，19-第四基片，20-第五基片，21-第三图案电极，22-第五液晶定向层，23-第三液晶层，24-第六液晶定向层，25-第三公共电极，26-第六基片，27-第七基片，28-第四公共电极，29-第七液晶定向层，30-第四液晶层，31-第八液晶定向层，32-第四图案电极，33-第八基片，34-第二增透膜，35-标识符，36-电子学接口，37-第一光窗，38-第二光窗。

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1所示，本实用新型电控液晶级联芯片包括第一增透膜5、第二增透膜34、以及多个平行设置于第一增透膜5和第二增透膜34之间、光轴在垂直方向上重合的电控液晶微镜(这多个电控液晶微镜构成电控液晶微镜组)，相邻两个电控液晶微镜的放置方向相反。在图1中，出于示例的目的，示出了4个电控液晶微镜，应该注意的是，本实用新型并不局限于此，电控液晶微镜的数量可以是3到7个之间。

最上方的第一电控液晶微镜包括从上到下平行设置的第一基片6、第一图案电极7、第一定向层8、第一液晶层9、第二定向层10、第一公共电极11、第二基片12；

第一电控液晶微镜下方的第二电控液晶微镜包括从上到下平行设置的第三基片13、第二公共电极14、第三液晶定向层15、第二液晶层16、第四液晶定向层17、第二图案电极18、以及第四基片19；

第二电控液晶微镜下方的第三电控液晶微镜包括从上到下平行设置的第五基片20、第三图案电极21、第五液晶定向层22、第三液晶层23、第六液晶定向层24、第三公共电极25、以及第六基片26；

最下方的第四电控液晶微镜包括从上到下平行设置的第七基片27、第四公共电极28、第七液晶定向层29、第四液晶层30、第八液晶定向层31、第四图案电极32、以及第八基片33。

第一图案电极7、第二图案电极18、第三图案电极21、以及第四图案电极32的形状完全相同，其可以是圆环形(如图2(a)所示)，也可以是方环形(如图2(b)所示)。

在从上到下的方向上，第一图案电极7、第二图案电极18、第三图案电极21、以及第四图案电极32的孔径(即内环的直径)逐渐减小，如图3中所示，第一图案电极7的孔径a1大于第二图案电极18的孔径a2，第二图案电极18的孔径a2大于第三图案电极21的孔径a3，第三图案电极21的孔径a3大于第四图案电极32的孔径a4。

具体而言，孔径最大的图案电极的孔径大小是2-3毫米，孔径最小的图案电极的孔径大小是100-200微米。

对于每个电控液晶微镜而言，其公共电极的形状和大小与其图案电极的形状和大小完全对应，即，如果图案电极是圆环形，则对应的公共电极是圆形，其直径等于图案电极的外径大小；如果图案电极是方环形，则对应的公共电极是方形，其边长等于图案电极的外边长大小。

第一图案电极7和第一公共电极11的一端，分别连接到外部电压信号U1，第二图案电极18和第二公共电极14的一端，分别连接到外部电压信号U2，第三图案电极21和第三公共电极25的一端，分别连接到外部电压信号U3，第四图案电极32和第四公共电极28的一端，分别连接到外部电压信号U4。

外部电压信号U1、U2、U3、U4的均方电压值可以相同，也可以不同。

在需要调节本实用新型偏光显微镜的通光孔径时，只需要对该通光孔径大小对应的图案电极加电即可。例如，如果需要将偏光显微镜的通光孔径调节为2.5毫米，则应选择最上方的电控液晶微镜进行加电，即将外部电压信号U1施加在第一图案电极7和第一公共电极11的一端。

在需要调节偏光显微镜的像质时，需要对多个图案电极中的至少两个加电，然后进行调节操作。

如图3所示，其示出了本实用新型电控液晶级联芯片的封装结构图，从图3(a)可以看出，当使用环形图案电极时，整个电控液晶级联芯片是封装在圆筒形壳体内，该圆筒形壳体的顶部和底部别设置有第一光窗37和第二光窗38，圆筒形壳体的侧方设置有电子学接口36，用于从电控液晶级联芯片中的各个电控液晶微镜上引出电线并连接到外部电压，圆筒形壳体顶部/底部的圆周上设置有标识符35，用于指示孔径最大的图案电极靠近该圆筒形壳体的顶部/底部，设置标识符35的目的是为了在使用时，让使用者知道图案电极所在的位置，以避免损坏或破坏该图案电极。

图3(b)和图3(a)基本相同，唯一的区别在于电控液晶级联芯片使用方形图案电极，整个电控液晶级联芯片是封装在立方形壳体内。

图4示出了使用上述电控液晶级联芯片的偏光显微镜的一种实现方式，该偏光显微镜包括沿光轴方向顺序平行设置的第一物镜1、第二物镜2、电控液晶级联芯片、以及光敏阵列3(其是由多个光敏元组成)，待测物被放置在第一物镜1远离第二物镜2的一侧，该偏光显微镜的工作原理是：置于显微成像光学系统物方焦面附近的待测物出射的光场被高倍率放大后进入电控液晶级联芯片，如图中所示的由第一物镜1和第二物镜2构成的典型显微成像光学系统所执行的光场放大操作，经基于多电控液晶微镜的综合性的通光孔径选择、相差匹配、光束压缩调整和偏振校调后，从电控液晶级联芯片出射并再进入成像光敏阵列3完成光电转换和成图操作。

图5示出了使用上述电控液晶级联芯片的偏光显微镜的另一种实现方式，该偏光显微镜包括沿光轴方向顺序平行设置的电控液晶级联芯片、第一物镜1、第二物镜2、以及光敏阵列3(其是由多个光敏元组成)，待测物被放置在电控液晶级联芯片远离第一物镜1的一侧，该偏光显微镜的工作原理是：置于显微成像光学系统物方焦面附近的待测物出射的光场首先进入电控液晶级联芯片，经基于多电控液晶微镜的综合性的通光孔径选择、相差匹配、光束调整和偏振校调后从电控液晶级联芯片出射，进一步进入显微成像光学系统执行高倍率放大，如图中所示的由第一物镜1和第二物镜2构成的典型显微成像光学系统所执行的光场放大操作，再进入成像光敏阵列3完成光电转换和成图操作。

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。