MEMS-i-linsen-arkitektur til laserscanningsmikroskopi

Laser-scanning mikroskoper kan miniaturiseres til at afbilde mikromiljøer in vivo via inklusion i optisk mikromekanisk system (MEMS) enheder for at erstatte de eksisterende større komponenter. Multifunktionelle aktive optiske enheder er nye komponenter, der understøtter miniaturisering til diffraktionsbegrænset ydeevne med enklere optiske systemdesign i optiske enheder. I en nylig undersøgelse, Tianbo Liu og et team af forskere i afdelingerne for elektrisk og computerteknik og dermatologi i USA foreslog en katadioptrisk (som tillader både lysreflektion og refraktion) mikroskopobjektivlinse, med en integreret MEMS-enhed til at udføre biaksial scanning, aksial fokusjustering og kontrol sfærisk aberration.

Materialeforskerne inkluderede en reflekterende MEMS-scanner i MEMS-in-the-linse-arkitekturen for at understøtte billeddannelse med høj numerisk blænde (NA), der samler lys over en bredere vifte af vinkler for at generere billeder. Liu et al. implementerede MEMS-i-objektivet-arkitekturen ved at inkludere scanningsspejlet i objektivlinsen, hvor stråleaksen var vinkelret på spejloverfladen uden behov for en stråledeler til at adskille den indfaldende og reflekterede stråle. De demonstrerede den optiske ydeevne af det katadioptriske system (et optisk system, der tillader både lysbrydning og refleksion med minimal aberration) ved at afbilde hårde og bløde mål ved hjælp af et konfokalt mikroskop baseret på det nye objektivlinsedesign. Den forbedrede billedbehandlingsteknik vil muliggøre avanceret diagnosticering af medicinske tilstande. Resultaterne af undersøgelsen er nu offentliggjort på Lys:Videnskab og applikationer .

Uforberedte og uklarede organer i levende dyr kan afbildes in vivo ved hjælp af scanning laser konfokal og multifoton mikroskopi teknikker. Tekniske fremskridt har lettet billeddannelse på bænk af små dyremodeller såsom mus, med passende medicinske anvendelser, der også dukker op i dermatologiske klinikker til non-invasiv undersøgelse af optiske hudbiopsier. Imidlertid, konventionelle laserscanningsmikroskoper er store og begrænser både medicinske og levende dyrs billeddannelsesprocedurer. For at få adgang til menneskekroppen og afbilde ambulante dyr, videnskabsmænd skal derfor miniaturisere disse instrumenter.

Miniaturiserede scanningsmekanismer med mindre instrumenter såsom mikromekaniske systemenheder kan erstatte eksisterende omfangsrige mekanismer, der er nødvendige for at scanne og fokusere strålen til hidtil usandsynlige anvendelser. For eksempel, forskere var i stand til at montere et MEMS-scannet miniaturiseret to-fotonmikroskop, der kun vejede 2,15 g, på hovedet af en frit bevægende mus til hjernebilleddannelse. Enhederne har også gjort det lettere at tilpasse laserscanningsmikroskopi i endoskopiske platforme og under MEMS-baserede optiske biopsieksperimenter for at påvise cancer in vivo. Ud over dets mindre fodaftryk, en MEMS-scanner bidrager til miniaturisering ved at kombinere flere frihedsgrader under produktionen sammen med dens optiske arkitektur.

I nærværende arbejde, Liu et al. udforsket en ny optisk arkitektur for en miniature, high-NA scanning lasermikroskop med en 3-D MEMS scanner i objektivlinsen. De illustrerede det optiske layout af MEMS-in-the-linsen for at fremstille enheden og betjene den in vivo. Forskerne konstruerede MEMS 3-D scanningsspejlet ved at reproducere en metode, der tidligere blev introduceret af den samme gruppe. Til in vivo mikroskopi, de opererede hyperhemisfæren (som giver et bredere synsfelt) i kontakt med væv med et variabelt brydningsindeks fra 1,3 til 1,4. Baseret på parametrene, forskerne simulerede opsætningens billeddannelsesydelse. De konkluderede, at hyperhemisfære af BK-7-glas var effektivt som et frontlinseelement til et vævsmikroskop med en aktiv 3-D MEMS-scanner placeret ved den simulerede blænde.

For at demonstrere konfokal billeddannelse, forskerne brugte en bænk-top mockup af objektivlinsen med et integreret 3-D MEMS spejl. Liu et al. fastgjort spejlet på prøvetrinnet ved hjælp af et tyndt lag vandbaseret ultralydsgel. Som et eksempel, de introducerede prøver af humane kindceller (~ 80 µm) på prøvestadiet, og fangede deres billeder ved hjælp af mikroskopet derefter. Under billeddannelse, forskerne brugte en 633 nm helium neon laser til belysning. De vedhæftede derefter prøven af ​​interesse på glaswaferen modsat hyperhemisfære-linsen. Liu et al. inkluderet en 50/50 stråledeler mellem den optiske fiber og det sammensatte linseelement for at adskille det reflekterede lys, og et 10 µm nålehul til rumligt at filtrere det reflekterede lys.

MEMS-konfokalmikroskopet tillod også billeddannelse under prøvens overflade, og Liu et al. demonstrerede dette via billeddannelse af en prøve af interesse. For prøven, de suspenderede 6 µm polystyren mikroperler i en ultralydstransmissionsgel og fulgte derefter billeddannelsesprocessen op med volumetrisk rekonstruktion af billederne for bedre at illustrere konfokal snit ved forskellige fokalplaner. Selvom billederne var godt løst, forskerne observerede, at perlernes 3D-profiler hverken var ensartede eller symmetriske, hvilket kræver yderligere optimering af teknikken.

Det udviklede 3D MEMS-spejl gav komplet scannings- og fokuskontrol til instrumentet, sideløbende med elektronisk kontrol af den sfæriske aberration. Det nye arbejde viste forbedret opløsning sammenlignet med tidligere beskrevne 3-D MEMS-spejle, for at tillade dens inklusion i et kompakt MEMS-i-linsesystem.

På denne måde Tianbo Liu og kolleger foreslog og udviklede en katadioptrisk MEMS-i-linsen mikroskopobjektivlinse og integrerede en MEMS 3-D scanner til at udføre biaksial scanning med kontrolleret sfærisk aberration under billedbehandlingsapplikationer. Liu et al. simulerede udviklingen af ​​den foreslåede instrumentarkitektur for at indikere et betydeligt løfte for fremtiden, miniaturiserede og høj-NA laser scanningsmikroskoper til in vivo billedbehandlingsapplikationer.

© 2019 Science X Network