En metalens-array i chipskala gör detta mikroskopsystem ultrakompakt. Kredit:Tao Li, Nanjing University.
Mikroskopet utökar effektivt människans syn till mikrovärlden. Det stöder breda tillämpningar inom vetenskaplig forskning, biomedicinsk diagnostik, industri och vidare. Det slutliga målet är superupplösning, men på vägen arbetar forskare för att uppnå kompakta miniatyrenheter med omfattande prestanda för brett synfält (FOV), stort skärpedjup (DOF) och hög genomströmning.
Traditionella optiska mikroskop är baserade på refraktiva optiska element, som vanligtvis är skrymmande och tunga med begränsningar i FOV och DOF, även om de har utvecklats avsevärt. Platta diffraktiva linser verkade erbjuda en möjlig lösning för att miniatyrisera bildbehandlingssystem, men de uppnår låg effektivitet och dålig bildkvalitet. Den senaste linsfria bildbehandlingstekniken revolutionerar avsevärt bildtekniken och möjliggör mycket kompakta bildåtergivningsenheter, men den är starkt beroende av efterbearbetningsberäkningar, som är resurskrävande och riskerar förvrängning.
Metalens teknologi öppnar ett nytt sätt att uppnå ultrakompakta och lätta optiska bildsystem. En metalens är en sorts metayta som består av subvåglängdsenheter med kraftfull förmåga att manipulera ljus. En innovativ polarisationsmultiplexerad metalens array (baserad på kisel nanoposter) föreslogs för att realisera ett kompakt och bredfältsmikroskop som bryter konventionella FOV-begränsningar, men bildkvaliteten är relativt dålig på grund av dess låga effektivitet med bakgrundsbrus, och den totala FOV är fortfarande mindre än traditionella mikroskop med samma upplösning.
Chip-scale metalens array för polarisationsinbäddad metalens imaging device (PMID) och kompakt bärbart mikroskopsystem (PMS):(a) chip-scale metalens array integrerad i CMOS-bildsensorn med zoom-in bilder; (b) PMS med en kompakt storlek på 3×3,5×4 cm3 genom att integrera PMID, provhållare, LC-polarisator och LED-källa. och (c) bredfältsmikroskopisk bild för ett bioprov av tallstammens tvärsnitt som täcker en 4×4 mm2 FOV med 1,74 μm upplösning. Området med blå låda är det registrerade FOV från ett traditionellt mikroskop. Kredit:Ye et al.
Avsevärt förbättrad bildkvalitet är nu möjlig med bildbehandling med högre upplösning, tack vare forskare från Nanjing University som utvecklade en polarisator-inbäddad metallens bildbehandlingsenhet (PMID). Som rapporterats i Advanced Photonics PMID implementeras baserat på en kiselnitridmetayta monterad på en CMOS-bildsensor med ett fast cirkulärt polarisationsfilter insatt mellan de två. Det eliminerar bakgrundsljud och möjliggör till och med inzoomning.
Systemet är baserat på en speciell co-and-cross-multiplexed metalens array och inbäddad polarisator. Genom att integrera dem med en CMOS-sensor i chip-skala utvecklade forskarna framgångsrikt en högkvalitativ bred FOV och stor DOF-mikroskopiteknik. Betydligt höga prestanda uppnås med en 4×4 mm 2 FOV, en 1,74-μ m upplösning (begränsad av CMOS-pixelstorleken) och en ~200-μ m DOF (450-510 nm våglängdsområde). Denna FOV är cirka 5 till 7 gånger större än ett traditionellt mikroskop med samma upplösning. Teamet visade den enastående mikroskopiprestanda genom att avbilda ett stort antal bioprover.
Enligt seniorförfattaren Tao Li, huvudforskare vid Nanjing Universitys nationella laboratorium för fasta tillståndsmikrostrukturer, "Såvitt vi vet är detta första gången en metalens-avbildare har tillgång till ett större FOV än ett traditionellt mikroskop med liknande bildkvalitet. Genom att svepa belysningens våglängd kan enheten uppnå stora skärpedjupsavbildningar samtidigt, tack vare metallens stora spridning." Li påpekar vidare, "Denna chip-skala PMID möjliggör implementering av miniatyriserade bärbara mikroskopsystem, med en tusenfaldig minskning av volym och vikt jämfört med ett traditionellt mikroskop."
Detta mikroskop i chipskala lovar att revolutionera traditionella optiska enheter och presenterar en ny horisont av ultrakompakta bildenheter som drivs av metateknik. + Utforska vidare
