指尖上的三維熒光顯微鏡：無透鏡、超薄、超輕！
背景
顯微鏡，通常是由一個或幾個透鏡的組合構成的一種光學儀器，主要用於放大人的肉眼無法觀察的微小物體，使之對於肉眼可見。這一發明標誌著人類進入了微觀的原子時代。
在生物學中，傳統的熒光顯微鏡是一種必不可少的工具。嵌入細胞或者組織中的顆粒被特定波長的光線照射，研究人員會採集來自這些粒子的熒光信號。這項技術讓科學家們們能以納米級的解析度，探索和追蹤生物製劑。
但是，熒光顯微鏡與所有的傳統顯微鏡、望遠鏡和攝像頭一樣，解析度由透鏡尺寸決定，所以往往會又大又重，從而限制了在生物學領域的應用。
（圖片來源：維基百科）
此外，傳統顯微鏡的透鏡陣列架構還存在一個弊端：隨著透鏡變小，它要麼採集更少的光線，要麼將成像的視場變小。
創新
隨著技術的創新與發展，透鏡已不再是某些顯微鏡的必備組件了。近日，美國萊斯大學的工程師們旨在克服傳統顯微鏡透鏡陣列架構的弊端，在之前的無透鏡平面攝像頭「FlatCam」基礎上，開發出一款無透鏡的超薄熒光顯微鏡「FlatScope」。
如下圖所示：這種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。它將數據發送到計算機，該計算機再將其處理成一個圖像。
（圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學）
這項研究開始是作為美國國防高級研究計劃局（DARPA）研究可植入的、高解析度神經介面計劃的一部分。萊斯大學的工程師 Ashok Veeraraghavan、Jacob Robinson、Richard Baraniuk 等研究人員在《科學進展（Science Advances）》雜誌中，發表了一篇論文中描述了相關研究成果。
這種寬視場的顯微鏡，厚度比信用卡更薄，小到足以放到指尖上。它可以生成高幀頻、解析度達微米級的三維熒光圖像，三維圖像的總體積能覆蓋幾立方毫米。
（圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學）
下圖是萊斯大學的研究生Vivek Boominathan（左）和Jesse Adams正在搭建平面顯微鏡的實驗。這款無透鏡的平面攝像頭可作為熒光顯微鏡，它能用於捕捉三維數據，並從視場中任何地方的物體構建圖像。
（圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學）
技術
萊斯大學科研團隊採用了一種不同的方法：利用所有電子攝像頭中都有的電荷耦合器件（CCD）晶元捕捉入射光線。與之前的 FlatCam 項目一樣，FlatScope 的視場等同於CCD感測器的尺寸，它可以按需變大或變小。通過定製的振幅掩模（amplitude mask）取代傳統顯微鏡中的透鏡陣列，因此它的外形是扁平的。
這種類似條形碼的掩模直接位於CCD的前面。光線通過掩模後，照射到感測器上，變成計算機程序可以理解並轉化為圖像的數據。
（圖片來源：參考資料【2】）
演算法可聚焦顯微鏡捕捉到的三維數據的任何部分，從而生成視場內物體的微米級細節鏡像。
Robinson 表示，這麼高的解析度讓該設備成為了顯微鏡。他說：「你手機或者數碼單鏡反光相機中的攝像頭可以達到百微米級的解析度。當你拍攝一張宏觀照片時，解析度約為20到50微米。我將顯微鏡看成一種讓你在微米尺度成像的設備。這意味著比頭髮絲直徑更小的物體，例如細胞、細胞的組成部分或者精細的纖維結構。」
實現這種解析度需要修改 FlatCam 的掩模，進一步削減到達感測器的光線量，並重寫軟體。Robinson 表示：「這並不是毫無意義地將 FlatCam 的演算法，簡單地應用到我們用於成像遠處物體的同樣的技術中。」
掩模類似透鏡照相機的光圈（光圈是一個用來控制光線透過透鏡，進入機身內感光面光量的裝置），但是它距離感測器只有幾百微米，並只允許部分光線通過，限制了數據量，從而簡化處理過程。
Robinson 說：「在一個百萬像素的攝像頭中，計算問題需要一百萬乘以一百萬個矩陣元素。這是一個非常龐大的矩陣。但是因為我們通過行和列的模式將其分解，我們的矩陣只有一百萬個元素。」
將數據從600萬兆位元組削減至更實用的21兆位元組，這意味著處理時間的縮短。早期的 FlatCam 版本需要一個小時甚至更多的時間來處理圖像，而現在的 FlatScope 平面顯微鏡捕捉三維數據的速度可達到每秒30幀。
價值
Veeraraghavan 表示，物聯網的蓬勃發展將為平面攝像頭和顯微鏡帶來許多應用。這反過來又會降低成本。他說：「與傳統的攝像頭相比，這個技術一個很大的優點就是，因為我們不需要透鏡，所以不需要製造後組裝。可以想說，該產品可以從生產線上不斷地生產出來。」
從 Veeraraghavan的表述中，不難發現，在物聯網發展的大潮中，FlatScope 及其關聯技術將有著廣闊的應用前景，同時由於市場前景好，所以成本也有望降低，另外它在生產製造方面較傳統產品也有優勢。
從用途來看，它的應用場景可包括：臨床用可植入內窺鏡、戰場用的手掌大小的顯微鏡、大面積成像儀、柔性顯微鏡等。研究人員指出，目前他們的工作主要集中在熒光應用，FlatScope 也可用於明視場，暗視場和反射光顯微鏡。
關鍵字
攝像頭、顯微鏡、晶元、透鏡
參考資料
【1】http://news.rice.edu/2018/03/05/rice-team-designs-lens-free-fluorescent-microscope/
【2】Jesse K. Adams, Vivek Boominathan, Benjamin W. Avants, Daniel G. Vercosa, Fan Ye, Richard G. Baraniuk, Jacob T. Robinson, Ashok Veeraraghavan.Single-frame 3D fluorescence microscopy with ultraminiature lensless FlatScope. Science Advances, 2017; 3 (12): e1701548 DOI: 10.1126/sciadv.1701548
※量子技術新突破：硅晶元中電子自旋與光子的耦合
※太赫茲技術專題
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