Chip-skala metamikroskop til højtydende billedbehandling

Mikroskopet udvider effektivt menneskets syn til mikroverdenen. Det understøtter brede anvendelser inden for videnskabelig forskning, biomedicinsk diagnose, industri og videre. Det ultimative mål er superopløsning, men undervejs arbejder forskere på at opnå kompakte, miniature-enheder med omfattende ydeevne til bredt synsfelt (FOV), stor dybdeskarphed (DOF) og høj gennemstrømning.

Traditionelle optiske mikroskoper er baseret på refraktive optiske elementer, som normalt er voluminøse og tunge med begrænsninger i FOV og DOF, selvom de er blevet væsentligt udviklet. Flade diffraktive linser så ud til at tilbyde en mulig løsning til at miniaturisere billeddannelsessystemer, men de opnår lav effektivitet og dårlig billedkvalitet. Nyere linsefri billedbehandlingsteknologi revolutionerer billedteknologien betydeligt og muliggør meget kompakte billedbehandlingsenheder, men den afhænger stærkt af efterbehandlingsberegninger, som er ressourcekrævende og risikerer forvrængning.

Metalens teknologi åbner en ny måde at opnå ultrakompakte og lette optiske billedsystemer. En metalens er en slags metasurface sammensat af subbølgelængdeenheder med kraftig evne til at manipulere lys. Et innovativt polarisations-multiplekset metalens-array (baseret på siliciumnanoposter) blev foreslået til at realisere et kompakt og bredfeltsmikroskop, der bryder konventionelle FOV-begrænsninger, men billedkvaliteten er relativt dårlig på grund af dens lave effektivitet med baggrundsstøj, og den samlede FOV er stadig mindre end traditionelle mikroskoper med samme opløsning.

Betydeligt forbedret billedkvalitet er nu mulig med billeddannelse i højere opløsning takket være forskere fra Nanjing University, som udviklede en polarisatorindlejret metalens billedbehandlingsenhed (PMID). Som rapporteret i Avanceret fotonik PMID er implementeret baseret på en siliciumnitrid-metaoverflade monteret på en CMOS-billedsensor med et fast cirkulært polarisationsfilter indsat mellem de to. Det eliminerer baggrundsstøj og muliggør endda zoom-ind-billeddannelse.

Systemet er baseret på en speciel co-og-cross-multiplekset metalens array og indlejret polarisator. Ved at integrere dem i en CMOS-sensor i chipskala udviklede forskerne med succes en højkvalitets bred FOV og stor DOF mikroskopiteknik. Der opnås en markant høj ydeevne med en 4×4 mm ² FOV, en 1,74-μ m opløsning (begrænset af CMOS-pixelstørrelsen) og en ~200-μ m DOF (450-510 nm bølgelængdeområde). Denne FOV er omkring 5 til 7 gange større end et traditionelt mikroskop med samme opløsning. Holdet demonstrerede den enestående mikroskopi ydeevne ved at afbilde et stort antal bio-prøver.

Ifølge seniorforfatter Tao Li, hovedforsker ved Nanjing University's National Laboratory of Solid-State Microstructures, "Så vidt vi ved, er dette første gang, en metalens imager har adgang til et større FOV end et traditionelt mikroskop med lignende billedkvalitet. Ved at feje belysningsbølgelængden er enheden i stand til at opnå stor dybdeskarphed samtidig, takket være metalens store dispersive natur." Li bemærker yderligere, "Denne chip-skala PMID muliggør implementering af miniaturiseret bærbart mikroskopsystem med en tusind gange reduktion i volumen og vægt sammenlignet med et traditionelt mikroskop."

Dette mikroskop i chip-skala lover at revolutionere traditionelle optiske enheder og præsentere en ny horisont af ultrakompakte billedbehandlingsenheder drevet af metateknologi. + Udforsk yderligere

Ultrakompakt metalens mikroskopi bryder FOV-begrænsninger