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新设计的FlatScope使显微镜镜头过时

发布时间:2018-05-14

FlatScope正在莱斯大学开发,用作荧光显微镜,能够捕获三维数据并在视场内的任何地方生成图像。学分:Jeff Fitlow /莱斯大学

赖斯大学的工程师开发FlatScope是一种薄型荧光显微镜,其功能有望超越旧式设备,因此对于某些显微镜不再需要镜片。

Rice的科学进展工程师Ashok Veeraraghavan,Jacob Robinson,Richard Baraniuk和他们的实验室的一篇论文描述了一种比信用卡更薄的宽视野显微镜,它足够小,可以坐在指尖上,并且能够在几立方毫米的体积上进行微米分辨率。

FlatScope消除了妨碍传统显微镜的折衷,其中透镜阵列可以从大视野收集较少光线或从较小视野收集更多光线。

Rice团队开始开发该设备,作为国防部高级研究计划局的一项联邦计划的一部分,作为植入式高分辨率神经接口。但该设备的潜力要大得多。研究人员声称FlatScope是实验室早期FlatCam的一项进步,可用作植入式内窥镜,大面积成像仪或柔性显微镜。

“我们认为这是为了补充FlatCam,以便解决更大的问题,”Baraniuk说。

传统的荧光显微镜是生物学中的重要工具。他们从插入用特定波长的光照射的细胞和组织中的颗粒中获取荧光信号。该技术使科学家能够以纳米尺度的分辨率探测和追踪生物制剂。

但是像所有传统的显微镜,望远镜和相机一样,它们的分辨率取决于其镜头的尺寸,这些尺寸可能很大且很重,并限制了它们在生物应用中的使用。

Rice团队采取了不同的方法。它使用与所有电子摄像机中发现的相同的电荷耦合器件(CCD)芯片捕获入射光,但比较在那里停止。像启发它的FlatCam项目一样,FlatScope的视场等于CCD传感器的尺寸,它可以根据需要变大或变小。它是平坦的,因为它用传统的显微镜取代了自定义幅度掩模中的镜头阵列。

在莱斯大学开发的FlatScope捕捉通过面具和指甲大小的相机芯片的三维数据。它将这些数据发送给一台将其处理回图像的计算机。相机可用作植入式内窥镜,大面积成像仪或柔性显微镜。学分:Jeff Fitlow /莱斯大学

这种类似于条形码的面具直接位于CCD前方。通过面罩传来的光线会照射到传感器上,成为计算机程序解释产生图像的数据。

该算法可以将重点放在三维数据的任何部分上,这些数据可以在示波器的任何地方捕获并生成小于1微米的物体图像。

罗宾逊说,这个决议使设备成为显微镜。 “手机或数码单反相机中的相机通常具有100微米的分辨率,”他说。 “当拍摄微距照片时,分辨率约为20至50微米。

“我认为显微镜可以让你在微米尺度上成像,”他说。 “这意味着比人类头发直径小的东西,比如细胞,细胞部分或纤维的精细结构。”

Robinson表示,实现该决议需要修改FlatCam掩模,以进一步减少到达传感器的光量以及重新编写软件。 “这不是简单地将FlatCam算法应用于我们用于对远处的东西进行成像的相同技术,”他说。

面罩与透镜式照相机中的光圈类似,将光线聚焦到传感器上,但距离传感器只有几百微米,只允许一小部分可用光线通过,限制了数据量以简化处理。

“在百万像素相机的情况下,这个计算问题需要一百万个元素的矩阵,”罗宾逊说。 “这是一个令人难以置信的大矩阵。但是因为我们通过这种行列方式来分解它,我们的矩阵只有100万个元素。“

这将每个快照的数据从6 TB缩减到更实用的21 MB,这意味着处理时间缩短。从FlatCam的早期版本需要一个小时或更长时间来处理图像,FlatScope每秒捕获30帧3-D数据。

Veeraraghavan表示,新兴的物联网可能为平板相机和显微镜提供许多应用。这反过来会降低成本。 “与传统相机相比,这项技术的一大优势是,因为我们不需要镜头,所以我们不需要后期装配,”他说。 “我们可以想象,这将从生产线上滚落下来。”

但他们的主要目标是医疗用途,从用于临床的可植入示波器到用于战场的手掌大小的显微镜。 Veeraraghavan说:“能够在你的口袋里携带显微镜是一项非常简单的技术。

研究人员指出,虽然他们目前的工作重点是荧光应用,但FlatScope也可用于明场,暗场和反射光显微镜。他们建议在灵活的背景上使用一组FlatScopes可以用来匹配目标的轮廓。

出版物:Jesse K. Adams等人,“带超小型透镜FlatScope的单帧3D荧光显微镜”,Science Advances,2017年12月8日:Vol。 3,没有。 12,e1701548; DOI:10.1126 / sciadv.1701548

资料来源:莱斯大学David Ruth