在科研实验和工业光学检测等领域，显微成像不再局限于传统显微镜的标准结构。随着多模态成像需求的快速增长，研究人员对显微系统的开放性、可扩展性与定制能力提出了更高要求。在荧光成像、多光谱成像、工业检测、材料表征等领域，往往需要根据波段范围、空间分辨率、工作距离或系统接口条件具有针对性的去配置一台显微镜。模块化DIY显微成像系统的核心价值，在于将显微系统拆解为可独立拓展的功能单元，通过标准化接口与结构兼容性，实现自由组合与功能拓展。

通用型的显微成像系统，主要由机械支撑结构、照明系统、光学成像模块、样品承载与运动模块以及图像采集模块几部分构成。其中照明系统包含照明光源、落射照明组件等；机械支撑结构即放置显微光学元件的机械结构；光学成像模块主要是物镜和套筒透镜构成的无限远成像模块；图像采集模块包含相机、目镜、探测器等。

 

图1 DIY显微成像系统示意图

一、照明模块

照明系统通常包括光源、聚光镜及其他辅助透镜、反射镜。其中，光源的亮度、发光面积、均匀程度决定了聚光照明系统可以采用的形式。

明场显微成像的原理为：使用光源将被观测的样品照亮，然后采集样品的反射光或者透射光成像，最终通过目镜观察成像。因此将明场显微成像分成两类，第一类是采用落射式明场显微成像：聚光透镜将照明光源发出的光线收集，由孔径光阑和视场光阑控制，通过垂直照明器后，光线由分光镜通过物镜反射以照亮样本，从标本表面反射的光重新进入物镜，最终通过目镜或相机观察。第二类是采用透射式明场显微成像：聚光镜将照明光源发出的光线收集，由视场光阑控制，收集后照射到样本上，透过样本后到达物镜，由于样本的不同部分对光的吸收和散射程度不同，因此在物镜上会形成明暗不一的图像，最终通过目镜或相机观察到样品的内部结构。

图2 落射式照明[左]、透射式照明[右]

相比于透射式照明，落射式从样品上方照射，光路中配有分光镜，因此能适用于透明及不透明的检测对象，由于物镜同时具备聚光功能，它不受数值空间限制，操作更为便捷，从低倍到高倍观察时，这种方式可确保整个视野获得均匀照明，克服了透射照明区过大，导致荧光标本的荧光迅速衰减，进而对厚载玻片或不透明样本效果不佳的问题。

按照明光路类型划分，常见的照明方式有临界照明、柯勒照明、斜照明等方式。其中，柯勒照明是提供均匀性照明的最佳方式之一，可解决普通照明中像场成光源结构像的问题。

图3 柯勒照明

在柯勒照明结构中，点光源经聚光镜前组成像在照明系统的视场光阑上；聚光镜前组（柯勒镜）经过聚光镜后组成像于标本处，同时也把照明系统视场光阑成像在无限远处，使之与远心物镜的入射光瞳重合。

二、光学成像模块

光学成像模块主要由物镜和套筒透镜（Tubelens）构成的无限远成像模块组成。所谓无限远，即假设套筒透镜的口径足够大，物镜和套筒透镜之间的距离被无限拉远，中间插入一系列传输器件，如BS、filter等，不会影响原有的成像，这也是显微成像中，无限远成像模块高适用性的原因之一。

 

图4 光学成像模块

一个显微成像系统，其放大倍率是由物镜、套筒透镜和观察目镜共同决定的。常规套筒透镜为消色差透镜，可以优化成像过程中的边缘彩带现象。为了记录和提取实验数据，观察目镜一般用高分辨率的CMOS或CCD代替。因此，需要考量的是物镜和套筒透镜之间的关系，需要根据物镜的放大倍率、套筒透镜的焦距以及不同显微镜厂商采用的套筒透镜焦距来进行计算。

 

图5 不同厂商物镜对应的套筒透镜设计焦距

因此，物镜的实际放大倍率应根据下式计算：

实际放大倍率=物镜设计放大倍率×套筒透镜焦距/厂商采用的套筒透镜焦距

图6 无限远物镜

无限远光学成像模块的搭配，直接影响显微镜的成像质量、视野大小、深度分辨率、工作距离等，是显微系统成像质量的关键因素。

三、图集采集与观察模块

图像采集与观察模块包括相机、目镜等。当需要定量测量强度、光谱、尺寸、细胞运动速度、微观结构分布并记录时，作为真正的图像获取与量化模块，CMOS或CCD相机是必备的；当研究人员需要进行微操作、注射、切片、光镊等，这些需要人实时干预的过程，目镜可以用于裸眼观测样品，生成样品的倒立图像，是更优的选择。

 

图7 图像采集模块

相机视觉传感器均可分为以下两类：电荷耦合器件（CCD）和互补金属氧化物半导体（CMOS）成像器。大多数CCD快门为全局快门，具有较低噪声、高动态范围以及高均匀性等特点，相较于CMOS帧率为中等，而CMOS则在读取速度与功耗上有显著的优势。选择不同的相机，会得到不同的视场大小，生物样品在成像于相机上时，样品区域尺寸受相机传感器尺寸的影响，相同系统放大倍率下，更大尺寸的传感器会产生更大的视场，便于研究人员通过相机或目镜观察到更多的微观样品数量。

图8 CCD与CMOS对比

在选择相机时，首先需要明确成像或检测的具体要求，包括是否是静态拍照或动态拍照、采集频率、任务类型（例如缺陷检测、尺寸测量或定位）、待测物品的尺寸（视野大小）、所需精度、所使用的软件性能、以及现场环境条件等。如果是动态拍照，还需要考虑运动速度，从而确定最小曝光时间和是否需要逐行扫描的相机，相机的帧率通常与像素有关，一般来说分辨率越高，帧率越低，不同品牌的工业相机帧率可能有所不同。根据检测任务的不同、物体的大小、所需分辨率以及软件的性能，可以计算出所需相机的分辨率。此外，现场环境中的温度、湿度、电磁干扰和光照条件等也是选择合适工业相机时需要重点考虑的因素。

选择目镜时，要确保物镜和目镜的类型相匹配。如果使用的是平场物镜，就必须搭配特制的平场目镜。这样才能补偿像差，确保整个视野范围（从中心到边缘）都能获得清晰的图像。

四、机械模块与运动控制

机械模块与远动控制部分，机械模块需要满足高刚性、抗振动的特性和多自由度调节的功能，运动控制部件则需要实现高精度调节。在显微镜主体支架上，可集成主体支架的配件和扩展件，包括一系列物镜安装组件和样品位移台，一并在主体支架的导轨上用调焦架进行调节，可最大程度压缩实验空间。

近年来，显微层析发展迅速，压电物镜位移器是专门为物镜聚焦显微和Z轴层析扫描而设计的，采用无回差柔性铰链并联导向机构设计，物镜补偿量较小，具有高聚焦稳定性，物镜定位器装入显微检测/测量或者观测装置可以带动物镜聚焦提高精度，可实现快速的3D扫描。

图9 压电物镜位移器

一般来说，压电物镜位移器，可实现nm级别的分辨率，来满足高精度层析成像需求。同样，显微样品位移台，需要流畅地在X轴和Y轴两个方向移动，便于高精度定位样品。二者搭配使用，解决了大范围样品查找、定位的效率问题。同时，为了消除杂散光，在物镜和落射照明口之间可采用遮光装置，如上图所示的可伸缩的和快拆的遮光管，最大程度的保证了图像质量。

照明系统、成像模块、图像采集模块与机械组件构成了一双观察微观世界的眼睛，DIY的方式赋予研究人员按需搭建的自由，极大地拓展了显微镜在科研与工业前沿领域的定制化潜力。