顯微技術的一次飛躍 無透鏡顯微技術 李超5090309797F0903035 顯微技術的發展在人類探索微觀世界的過程中扮演著重要的作用， 1590年顯微鏡的發明以及後來對於顯微鏡的多次改進，讓生物學， 醫學，材料學等等學科得到了質的飛曜。諾貝爾獎的歷史中，幾乎所 有的獎都頒給了基礎科學和技術的突破，一項具體的發明能夠獲得此 殊榮，也只有顯微鏡和電晶體了，由此可見顯微鏡和顯微技術在科學 史上舉足輕重的地位。(1953年12月10日荷蘭科學家塞爾尼克因發 明相差顯微鏡獲第五十三屆諾貝爾物理學獎，把人類能夠直接觀察的 世界擴展到原子世界)但是，由於顯微的價格昂貴，結構複雜以及操 作較為繁瑣大大限制了它在資源受限制的地區，或是室外移動場所的 使用。 為了解決這些問題，在近十年光學成像技術和數字技術快速發展的基 礎上，無透镜顯微技術孕育而生，以這種技術創造出來的無透鏡顯微 鏡結構簡單，體積小，觀察視野大，成本便宜並且易於操作，它在生 物醫藥領域有著重要的實用價值，特別是一些貧窮發展落後的國家和 地區，尤其值得指出的是，這一技術的發展將為解決全球性的疾病和 健康問題提供非常大的支持。我做的科研專案便是對這種顯微技術的 研究。 無透鏡成像技術的原理是基於內斂全息成像技術，物體被放在光源和 CMOS相機中間，待觀察的物體被相干光光照射之後會發衍射，發生
顯微技術的一次飛躍 ——無透鏡顯微技術 李超 5090309797 F0903035 顯微技術的發展在人類探索微觀世界的過程中扮演著重要的作用， 1590 年顯微鏡的發明以及後來對於顯微鏡的多次改進，讓生物學， 醫學，材料學等等學科得到了質的飛躍。諾貝爾獎的歷史中，幾乎所 有的獎都頒給了基礎科學和技術的突破，一項具體的發明能夠獲得此 殊榮，也只有顯微鏡和電晶體了，由此可見顯微鏡和顯微技術在科學 史上舉足輕重的地位。（1953 年 12 月 10 日荷蘭科學家塞爾尼克因發 明相差顯微鏡獲第五十三屆諾貝爾物理學獎，把人類能夠直接觀察的 世界擴展到原子世界）但是，由於顯微的價格昂貴，結構複雜以及操 作較為繁瑣大大限制了它在資源受限制的地區，或是室外移動場所的 使用。 為了解決這些問題，在近十年光學成像技術和數字技術快速發展的基 礎上，無透鏡顯微技術孕育而生，以這種技術創造出來的無透鏡顯微 鏡結構簡單，體積小，觀察視野大，成本便宜並且易於操作，它在生 物醫藥領域有著重要的實用價值，特別是一些貧窮發展落後的國家和 地區，尤其值得指出的是，這一技術的發展將為解決全球性的疾病和 健康問題提供非常大的支持。我做的科研專案便是對這種顯微技術的 研究。 無透鏡成像技術的原理是基於內斂全息成像技術，物體被放在光源和 CMOS 相機中間，待觀察的物體被相干光光照射之後會發衍射，發生
衍射的物光和一些由缝隙中穿過的沒有發生衍射的參考光疊加之後， 形成全息圖像，全息圖像除了記錄普通圖像都會記錄的光強之外，還 記錄光的相位，但相位需要通過一定的方法才能得到，這種技術便叫 做內斂全息成像技術。有了物體衍射的全息圖像之後，可以通過衍射 公式和記錄的衍射圖像光強重建出待觀察的物體。 整個無透鏡顯微系統主要包括三個難點部分，照明光源，CMOS相機 和重建演算法。光源部分，由於需要產生衍射圖像，光源需要用相干 光，此前研究者們也幾乎都用到相干光作為照明，但是相干光有兩個 問題，第一是價格比較昂貴，第二是相關光在產生全息圖的過程中在 外界條件的影響之下很容易形成一些其他的干涉圖像，從而干擾最後 的結果。為了解決這個問題，最近幾年有一種新的辦法出現了，可以 利用普通LED發出的非相干光透過一個50~100微米的小孔，這樣的 光可以大大减小非相干光的雜訊問題從而近似成相干光，同時也可以 解決原來相干光的兩大問題。 CMOS相機部分，CMOS相機主要是用來記錄全息圖像的，它最主 要的部分就是CMOS感應晶片，可以用來記錄光強，一般的CMOS 感應晶片解析度可達到1到2微米，面積可達到20平方毫米以上。 這種無透鏡成像系統中放置待测物體的平面和放置CMOS相機的平 面離得非常近，所以晶片的面積幾乎全部可以用來作為觀察物體，所 以在觀察實驗方面它是普通的10倍放大光學顯微鏡的10倍以上。 CMOS晶片的價格以一般為70人民幣，加上之前的LED光源，和一 些基本的電路設計，總的價格應該可以控制在100元人民幣左右
衍射的物光和一些由縫隙中穿過的沒有發生衍射的參考光疊加之後， 形成全息圖像，全息圖像除了記錄普通圖像都會記錄的光強之外，還 記錄光的相位，但相位需要通過一定的方法才能得到，這種技術便叫 做內斂全息成像技術。有了物體衍射的全息圖像之後，可以通過衍射 公式和記錄的衍射圖像光強重建出待觀察的物體。 整個無透鏡顯微系統主要包括三個難點部分，照明光源，CMOS 相機 和重建演算法。光源部分，由於需要產生衍射圖像，光源需要用相干 光，此前研究者們也幾乎都用到相干光作為照明，但是相干光有兩個 問題，第一是價格比較昂貴，第二是相關光在產生全息圖的過程中在 外界條件的影響之下很容易形成一些其他的干涉圖像，從而干擾最後 的結果。為了解決這個問題，最近幾年有一種新的辦法出現了，可以 利用普通 LED 發出的非相干光透過一個 50~100 微米的小孔，這樣的 光可以大大減小非相干光的雜訊問題從而近似成相干光，同時也可以 解決原來相干光的兩大問題。 CMOS 相機部分，CMOS 相機主要是用來記錄全息圖像的，它最主 要的部分就是 CMOS 感應晶片，可以用來記錄光強，一般的 CMOS 感應晶片解析度可達到 1 到 2 微米，面積可達到 20 平方毫米以上。 這種無透鏡成像系統中放置待測物體的平面和放置 CMOS 相機的平 面離得非常近，所以晶片的面積幾乎全部可以用來作為觀察物體，所 以在觀察實驗方面它是普通的 10 倍放大光學顯微鏡的 10 倍以上。 CMOS 晶片的價格以一般為 70 人民幣，加上之前的 LED 光源，和一 些基本的電路設計，總的價格應該可以控制在 100 元人民幣左右
重建演算法部分，這一部分是最值得研究者們探討的問題，也是我的 研究的主要部分之一，自從Gabor發明全息成像到如今數位化全息圖 便來越來越受人們關注，全息圖的重建問題一直是一個不斷探索中的 問題，因為全息圖的重構過程過會遇到，實像和虚像重疊的問題，這 個問題導致了簡單的重建不能得到我們所期望的圖像，但是由於如今 電腦和智能移動設備的普及，這個問題又有了新的突破。重建的演算 法有很多，比如迭代演算法，濾波器演算法，數值演算法和硬體設計 上的改變等等。我所做的研究是基於迭代演算法，這也是目前比較流 行的一種演算法，原理主要是通過在電腦中模擬傳播過程，在此過程 中加上邊界限制條件，使虚像或者實像中的任意一個在迭代過程中逐 步消去，最終得到單一的實像或者虚像。 整個無透鏡成像系統的體積不超過一個滑鼠，可以輕易的放入口袋中 隨身攜帶使用，加上一個USB介面，便可以與電腦連接甚至直接把 整個設備植入手機，幾秒鐘就可以看到想要觀察的物體。 我們可以想像在不遠的將來，這個設備可以飛入醫療設施缺乏的非洲 和發展中國家，為那裹的醫生解决或者控制大規模傳染病提供強有力 的幫助：我們還可以想像這個設備可以飛入尋常百姓家，為每一個家 庭的健康做出一點貢獻；我們更可以想像有越來越多人性化的設備可 以飛入我們的生活，帶給我們更大的方便和幸福。這是顯微技術上的 一個飛躍，我們也希望它是人類健康問題上的一個飛曜，我們更希望 它只是一個開始
重建演算法部分，這一部分是最值得研究者們探討的問題，也是我的 研究的主要部分之一，自從 Gabor 發明全息成像到如今數位化全息圖 便來越來越受人們關注，全息圖的重建問題一直是一個不斷探索中的 問題，因為全息圖的重構過程過會遇到，實像和虛像重疊的問題，這 個問題導致了簡單的重建不能得到我們所期望的圖像，但是由於如今 電腦和智能移動設備的普及，這個問題又有了新的突破。重建的演算 法有很多，比如迭代演算法，濾波器演算法，數值演算法和硬體設計 上的改變等等。我所做的研究是基於迭代演算法，這也是目前比較流 行的一種演算法，原理主要是通過在電腦中模擬傳播過程，在此過程 中加上邊界限制條件，使虛像或者實像中的任意一個在迭代過程中逐 步消去，最終得到單一的實像或者虛像。 整個無透鏡成像系統的體積不超過一個滑鼠，可以輕易的放入口袋中 隨身攜帶使用，加上一個 USB 介面，便可以與電腦連接甚至直接把 整個設備植入手機，幾秒鐘就可以看到想要觀察的物體。 我們可以想像在不遠的將來，這個設備可以飛入醫療設施缺乏的非洲 和發展中國家，為那裏的醫生解決或者控制大規模傳染病提供強有力 的幫助；我們還可以想像這個設備可以飛入尋常百姓家，為每一個家 庭的健康做出一點貢獻；我們更可以想像有越來越多人性化的設備可 以飛入我們的生活，帶給我們更大的方便和幸福。這是顯微技術上的 一個飛躍，我們也希望它是人類健康問題上的一個飛躍，我們更希望 它只是一個開始