全新设计的FlatScope使显微镜透镜不再使用

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