无透镜芯片式显微镜

2018-01-24

近年来,显微镜变得越来越先进,但是,却不得不面临一些极限。最明显的极限是成像视野范围,它由空间带宽积(Space-bandwithproduct)决定。类似于海森堡不确定性原理,空间带宽积是对成像系统信息承载能力的衡量。实际上对于传统含透镜显微镜,为了提高空间带宽积的数值,需要寻找低放大倍率(<10x)和高的NA(>0.5)透镜,但花费往往数千美元,因为需要在大视场校正光学像差。同时,具有高NA数值的透镜往往非常庞大。无透镜显微镜具有几何成像芯片,样品被放置在光电传感阵列上,样品与传感平面的距离常常小于1mm。这一系统的空间带宽积可以达到一百万到一千万。造价越来越低廉的CMOS传感器和智能手机强大的计算能力,为这一成果带来很大的现实意义,不管是任何偏远的地方,人们只要携带一个轻便便宜手机大小的显微镜,就可以精确的进行疾病的诊断。



图1.无透镜芯片式显微镜

a.结构很简单:仅需要光源、透明样品和成像传感器。

b、c无透镜显微镜可以被制作成紧凑,低价的移动设备。


图2.无透镜显微镜的典型巴氏涂片成像

左下角虚线框为传统的40X和20X显微镜的成像视野范围,可以发现其范围相比于无透镜显微镜,非常小。


图3.对精子细胞的三维空间追迹

使用无透镜显微镜对8μl容积内的约1500个人类精子细胞进行追迹。

如图显示了一小部分精子的运动轨迹是螺旋形的,插图显示了其运动轨迹的投影,投影平面与精子整体运动方向垂直。


图4.无透镜显微镜彩色成像与分辨,下图显示了彩色全息成像的几种获取方式。

(a)去马赛克像素超分辨。样品同时被不同波长的光照射,全息图被彩色传感器记录。

(b)另一种方法是在YUV颜色空间起作用,它将亮度分量(Y)从色度分量(UV)分开处理。在YUV平均化过程中,得到的亮度分量具有高分辨率,而色度分量具有低分辨率。

(c)在红绿蓝三个波段获取全息图,经过数字处理合成彩色图。

(d)传统显微镜成像。

(a)、(b)、(c)三种方法成像分辨率优于传统显微成像。


图5.自组装纳米透镜(nanolens)增强的芯片式显微镜

a.由于纳米尺寸的物体散射效果太弱,很难被无透镜显微镜探测到。然而,在纳米粒子自组装形成的纳米透镜使得探测纳米尺寸的物体变得可能。插图显示了纳米透镜随着时间的形成过程,热的蒸汽在冷的基底和粒子周围逐渐凝结。

b.从直径83nm小珠子实验测量得到的光学相位信号(黑色小点点),与理论预测曲线吻合(红色曲线)。插图显示了对应点的图像。当纳米透镜生长的时候,信号先是变强,之后随着珠子的增大而变弱。

无透镜芯片式显微镜去除了镜片的束缚,通过采用传感器,采集样品的数字信息,对数字信息进行运算重建,依托现代数码设备强大的计算能力,可以瞬间分析大量数据。这对工业和医学具有极大的意义,其商业化也在稳步进行,医生可以在边远的贫困地区,使用这种手机大小的显微镜,对疟疾等热带疾病进行诊断。当然,它还有很大的进步空间,包括采用深度学习算法,训练人工神经网络,提高运算能力,提高信噪比和分辨率等。

此论文是Ozcan教授团队对近年来发文的综述性总结,Ozcan教授是UCLA的Chancellor’s教授,他在移动医疗,纳米显微,宽场成像和无透镜成像等领域做出了杰出的贡献,现为OSA,IEEE,SPIE,RSC,AIMBE等多所科学协会FELLOW。

文献链接:Microscopywithoutlenses(PhysicsToday,2017,DOI:10.1063/PT.3.3693)

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