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全新设计的FlatScope使显微镜透镜不再使用

时间:2021-11-15 16:58:04来源:

莱斯大学正在开发FlatScope,用作荧光显微镜,该显微镜能够捕获三维数据并从视场中的任何位置生成图像。

赖斯大学的工程师开发了FlatScope,这是一种薄型荧光显微镜,其功能有望超越老式设备,对某些显微镜而言,不再需要透镜。

赖斯工程师Ashok Veeraraghavan,Jacob Robinson,Richard Baraniuk及其实验室在《科学进展》上发表的一篇论文描述了一种比信用卡薄的宽视场显微镜,它足够小,可以放在指尖上,并且可以在几立方毫米的体积上进行微米级分辨率。

FlatScope消除了妨碍传统显微镜的权衡问题,在传统显微镜中,透镜阵列既可以从大视野中收集较少的光,也可以从较小视野中收集更多的光。

赖斯团队根据国防高级研究计划局的一项联邦计划,开始开发这种设备,该设备是一种可植入的高分辨率神经接口。但是该设备的潜力更大。研究人员声称,FlatScope是实验室早期FlatCam的一项进步,可以用作植入式内窥镜,大面积成像仪或柔性显微镜。

“我们认为这是对FlatCam的改进,因此它可以解决更大的问题,” Baraniuk说。

传统的荧光显微镜是生物学中必不可少的工具。它们从插入细胞和组织的颗粒中吸收荧光信号,这些颗粒被特定波长的光照射。该技术使科学家能够以纳米级分辨率探测和跟踪生物制剂。

但是,像所有传统显微镜,望远镜和照相机一样,它们的分辨率取决于其透镜的尺寸,透镜的尺寸可能很大,很重,并限制了其在生物应用中的使用。

赖斯团队采取了不同的方法。它使用所有电子相机中都使用的相同电荷耦合器件(CCD)芯片来捕获入射光,但是比较到此为止。就像激发它的FlatCam项目一样,FlatScope的视场等于CCD传感器的大小,可以根据需要大小而定。之所以是平坦的,是因为它用自定义的振幅掩模代替了传统显微镜中的透镜阵列。

由莱斯大学开发的FlatScope捕获通过遮罩并到达指甲大小的相机芯片的三维数据。它将数据发送到计算机,然后将其处理回图像。该相机可用作植入式内窥镜,大面积成像仪或柔性显微镜。

类似于条形码的此遮罩直接位于CCD的前面。穿过面罩并撞击传感器的光变成计算机程序解释为产生图像的数据。

该算法可以集中于示波器捕获的三维数据的任何部分,并在野外任何地方生成小于一微米的物体的图像。

罗宾逊说,这种分辨率使该设备成为显微镜。他说:“手机或数码单反相机中的相机通常分辨率约为100微米。”“当您拍摄微距照片时,分辨率约为20至50微米。

他说:“我认为显微镜可以使您对微米级的物体成像。”“这意味着小于人类头发直径的东西,例如细胞,细胞部分或纤维的精细结构。”

要达到该分辨率,需要对FlatCam掩模进行修改,以进一步减少到达传感器的光量,并重写其软件,Robinson说。他说:“这不只是简单地将FlatCam算法应用于我们用来对远处物体进行成像的相同技术,”。

该遮罩类似于将光聚焦到传感器上的镜头照相机中的光圈,但距离传感器只有几百微米,并且仅允许一小部分可用的光通过,从而限制了数据量以简化处理。

罗宾逊说:“在百万像素相机的情况下,该计算问题需要一百万乘一百万个元素的矩阵。”“这是一个非常大的矩阵。但是因为我们通过这种行和列的模式来分解它,所以矩阵只有一百万个元素。”

这样可以将每个快照的数据从6 TB减少到更实际的21兆字节,从而缩短了处理时间。从需要一个小时或更长时间来处理图像的FlatCam的早期版本开始,FlatScope每秒可捕获30帧3-D数据。

Veeraraghavan说,物联网的蓬勃发展可能为平板相机和显微镜提供许多应用。反过来,这将降低成本。他说:“与传统相机相比,这项技术的一大优势在于,因为我们不需要镜头,所以不需要后装配。”“我们可以想象这会从生产线中滑落。”

但是它们的主要目标是医疗用途,从诊所的可植入范围到战场的掌上型显微镜。Veeraraghavan说:“能够在口袋里携带显微镜是一项整洁的技术。”

研究人员指出,尽管他们目前的工作集中在荧光应用上,但FlatScope还可以用于明场,暗场和反射光显微镜。他们建议在灵活的背景上使用FlatScope阵列来匹配目标的轮廓。

出版物:Jesse K. Adams等人,“具有超小型无透镜FlatScope的单帧3D荧光显微镜”,科学进展,2017年12月8日:卷3号12,e1701548; DOI:10.1126 / sciadv.1701548

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