研究團隊設計出一種新型無透鏡熒光顯微鏡

目前，萊斯大學的研究團隊正在開發一種平板顯微鏡，是一種新型熒光顯微鏡，能夠捕捉三維數據，並在視野中的任何地方生成圖像。圖片來源：萊斯大學

鏡頭將沒有必要成為一些顯微鏡的必須配置了，來自萊斯大學的工程師開發的一種新型的平坦、薄層的熒光顯微鏡，其能力或將超過老式的顯微鏡設備。

萊斯大學的工程師Ashok Veeraraghavan, Jacob Robinson, Richard Baraniuk和他們的實驗室在《科學進展（Science Advances）》雜誌上發表文章介紹了這種新型寬場顯微鏡，其尺寸比信用卡更薄，小到可以放在指尖，能夠在幾個立方毫米體積內實現微米的解析度。

平面顯微鏡消除了阻礙傳統的顯微鏡透鏡陣列權衡情況，可以從一個更大的視野收集光或從一個較小的區域收集更多的光

萊斯大學團隊研究的這種新型平面顯微鏡將作為美國國防部高級研究計劃—可植入的高解析度神經介面的一部分。但是這種裝置的應用潛力要大得多。研究人員聲稱，平面顯微鏡是實驗室前期研究的平面鏡頭的更進一步，可以作為植入內窺鏡，實現大面積成像的靈活的顯微鏡。

「我們認為這次對平面鏡頭的提升可以解決更大的問題，」Baraniuk說。

傳統熒光顯微鏡是生物學中必不可少的工具。他們從插入細胞和組織的粒子中提取熒光信號，這些光被特定波長的光所照亮。這種技術允許科學家用納米尺度的解析度探測和跟蹤生物製劑。

上圖所是是萊斯大學的研究生Vivek Boominathan和Jesse Adams正在搭建平面顯微鏡，這一無透鏡的平面攝像機或讓熒光顯微鏡能夠捕捉到的三維數據，且能夠捕捉到視野內的任何地方產生的圖像。圖片來源：萊斯大學

但是，像所有傳統的顯微鏡、望遠鏡和照相機一樣，它們的解析度取決於鏡片的大小，它們的體積大，重量大，限制了它們在生物應用中的應用。

Rice團隊採取了不同的方法。它使用所有的電子相機捕捉入射光時所用的相同的電荷耦合器件（CCD）晶元，但與傳統電子相機的相似之處僅此而已。通過平面鏡頭項目的啟發，平面顯微鏡的視野與CCD感測器的尺寸，可根據需要或大或小。它是扁平的，因為它用振幅掩模代替了傳統顯微鏡中的透鏡陣列。

這種類似於條形碼的掩模直接位於CCD的前面。通過掩模和感測器發出的光成為計算機程序解釋產生圖像的數據。

該演算法可以集中在三維數據的任何部分，範圍捕獲並生成物體在某個地方小於微米的圖像。

Robinson說，其具有的解析度使設備成為了顯微鏡。在您的手機或數碼單反相機通常會有100微米解析度，當你拍攝微距照片時，解析度大約是20到50微米。

「我認為顯微鏡是一種可以讓你在微米尺度上成像的東西，」他說。這意味著比人的頭髮直徑小的東西，如細胞、細胞的部分或纖維的精細結構。

在萊斯大學開發的可用於實現三維數據測量的平面顯微鏡，通過掩膜和一個指甲蓋大小的攝像頭晶元實現圖像捕捉。它將數據發送到一台計算機，該計算機將其處理成一個圖像。該照相機可以用作可植入內窺鏡、大面積成像器或柔性顯微鏡。圖片來源：萊斯大學

實現這一解析度需要修正平面鏡頭，進一步削減到達感測器的光線以及更新他們的軟體部分，Robinson說。這並不是瑣碎的簡單應用平面鏡頭的那種實現圖像捕獲的軟體技術。

這種掩膜是類似於在一個透鏡的相機，光線聚焦到感測器的孔徑，但來自感測器只有幾百微米，只允許現有的光的一部分獲得通過，限制數據，簡化處理量。

「在一個百萬像素的相機中，計算問題需要一個矩陣，一百萬乘以一百萬個元素，」 Robinson說。「這是一個難以置信的大矩陣。但是由於我們通過行和列的模式將其分解，我們的矩陣僅僅是100萬個元素。」

將數據從六百萬兆位元組分成更實用的21兆位元組，這意味著加工時間縮短。從需要一個小時或更多的時間來處理圖像的平面鏡頭的早期版本，到平面顯微鏡捕捉三維數據達到每秒30幀。

Veeraraghavan說，物聯網蓬勃發展的互聯網可以提供平坦的攝像機和顯微鏡應用。這反過來又會壓低成本。與傳統的相機相比這個技術的一個很大的優點，因為我們不需要鏡頭，我們不需要複雜的後期加工，我們可以從生產線上直接生產下來。

但他們的主要目標是醫療用途，從診所的可植入範圍到上臨床上的手掌大小的顯微鏡。能在你的口袋裡攜帶一個顯微鏡將是一個很便捷的技術，Veeraraghavan說。

研究人員指出，他們目前的工作主要集中在熒光應用，平面顯微鏡也可用於明場，暗場和反射光顯微鏡中。他們建議在一個靈活的設備上實現平面顯微鏡數組從而適用匹配不同目標。

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