指尖上的革命：无透镜超薄三维荧光显微镜

导读

近日，美国莱斯大学的工程师们开发出一款无透镜、宽视场、超薄的荧光显微镜“FlatScope”。其厚度比信用卡更薄，小到足以放在指尖上。它可以生成高帧频、分辨率达微米级的三维荧光图像，可应用于内窥镜、大面积成像仪、柔性显微镜等方面。

背景

显微镜，通常是由一个或几个透镜的组合构成的一种光学仪器，主要用于放大人的肉眼无法观察的微小物体，使之对于肉眼可见。这一发明标志着人类进入了微观的原子时代。

在生物学中，传统的荧光显微镜是一种必不可少的工具。嵌入细胞或者组织中的颗粒被特定波长的光线照射，研究人员会采集来自这些粒子的荧光信号。这项技术让科学家们们能以纳米级的分辨率，探索和追踪生物制剂。

但是，荧光显微镜与所有的传统显微镜、望远镜和摄像头一样，分辨率由透镜尺寸决定，所以往往会又大又重，从而限制了在生物学领域的应用。

（图片来源：维基百科）

此外，传统显微镜的透镜阵列架构还存在一个弊端：随着透镜变小，它要么采集更少的光线，要么将成像的视场变小。

创新

随着技术的创新与发展，透镜已不再是某些显微镜的必备组件了。近日，美国莱斯大学的工程师们旨在克服传统显微镜透镜阵列架构的弊端，在之前的无透镜平面摄像头“FlatCam”基础上，开发出一款无透镜的超薄荧光显微镜“FlatScope”。

如下图所示：这种可用于实现三维数据测量的平面显微镜，通过掩膜和一个指甲盖大小的摄像头芯片实现图像捕捉。它将数据发送到计算机，该计算机再将其处理成一个图像。

（图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学）

这项研究开始是作为美国国防高级研究计划局（DARPA）研究可植入的、高分辨率神经接口计划的一部分。莱斯大学的工程师 Ashok Veeraraghavan、Jacob Robinson、Richard Baraniuk 等研究人员在《科学进展（Science Advances）》杂志中，发表了一篇论文中描述了相关研究成果。

这种宽视场的显微镜，厚度比信用卡更薄，小到足以放到指尖上。它可以生成高帧频、分辨率达微米级的三维荧光图像，三维图像的总体积能覆盖几立方毫米。

（图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学）

下图是莱斯大学的研究生Vivek Boominathan（左）和Jesse Adams正在搭建平面显微镜的实验。这款无透镜的平面摄像头可作为荧光显微镜，它能用于捕捉三维数据，并从视场中任何地方的物体构建图像。

（图片来源：Jeff Fitlow/莱斯大学）

技术

莱斯大学科研团队采用了一种不同的方法：利用所有电子摄像头中都有的电荷耦合器件（CCD）芯片捕捉入射光线。与之前的 FlatCam 项目一样，FlatScope 的视场等同于CCD传感器的尺寸，它可以按需变大或变小。通过定制的振幅掩模（amplitude mask）取代传统显微镜中的透镜阵列，因此它的外形是扁平的。

这种类似条形码的掩模直接位于CCD的前面。光线通过掩模后，照射到传感器上，变成计算机程序可以理解并转化为图像的数据。

（图片来源：参考资料【2】）

算法可聚焦显微镜捕捉到的三维数据的任何部分，从而生成视场内物体的微米级细节镜像。

Robinson 表示，这么高的分辨率让该设备成为了显微镜。他说：“你手机或者数码单镜反光相机中的摄像头可以达到百微米级的分辨率。当你拍摄一张宏观照片时，分辨率约为20到50微米。我将显微镜看成一种让你在微米尺度成像的设备。这意味着比头发丝直径更小的物体，例如细胞、细胞的组成部分或者精细的纤维结构。”

实现这种分辨率需要修改 FlatCam 的掩模，进一步削减到达传感器的光线量，并重写软件。Robinson 表示：“这并不是毫无意义地将 FlatCam 的算法，简单地应用到我们用于成像远处物体的同样的技术中。”

掩模类似透镜照相机的光圈（光圈是一个用来控制光线透过透镜，进入机身内感光面光量的装置），但是它距离传感器只有几百微米，并只允许部分光线通过，限制了数据量，从而简化处理过程。

Robinson 说：“在一个百万像素的摄像头中，计算问题需要一百万乘以一百万个矩阵元素。这是一个非常庞大的矩阵。但是因为我们通过行和列的模式将其分解，我们的矩阵只有一百万个元素。”

将数据从600万兆字节削减至更实用的21兆字节，这意味着处理时间的缩短。早期的 FlatCam 版本需要一个小时甚至更多的时间来处理图像，而现在的 FlatScope 平面显微镜捕捉三维数据的速度可达到每秒30帧。

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