Un array di metalli in scala di chip rende questo sistema di microscopi ultracompatto. Credito:Tao Li, Università di Nanchino.
Il microscopio espande efficacemente la vista umana al micromondo. Supporta ampie applicazioni nella ricerca scientifica, nella diagnosi biomedica, nell'industria e oltre. L'obiettivo finale è la superrisoluzione, ma lungo il percorso i ricercatori stanno lavorando per ottenere dispositivi compatti e in miniatura con prestazioni complete per un ampio campo visivo (FOV), un'ampia profondità di campo (DOF) e un'elevata produttività.
I microscopi ottici tradizionali si basano su elementi ottici rifrattivi, che di solito sono ingombranti e pesanti con limitazioni in FOV e DOF, sebbene siano stati sostanzialmente sviluppati. Le lenti diffrattive piatte sembravano offrire una possibile soluzione per miniaturizzare i sistemi di imaging, ma ottengono una bassa efficienza e una scarsa qualità dell'immagine. La recente tecnologia di imaging senza obiettivo rivoluziona considerevolmente la tecnologia di imaging e consente dispositivi di imaging altamente compatti, ma dipende fortemente dal calcolo della post-elaborazione, che richiede molte risorse e rischia la distorsione.
La tecnologia Metalens apre un nuovo modo per ottenere sistemi di imaging ottico ultracompatti e leggeri. Un metalens è una specie di metasuperficie composta da unità di lunghezza d'onda con una potente capacità di manipolare la luce. È stato proposto un innovativo array di metalens multiplexato a polarizzazione (basato su nanopost di silicio) per realizzare un microscopio compatto e ad ampio campo che rompe i vincoli FOV convenzionali, ma la qualità dell'immagine è relativamente scarsa a causa della sua bassa efficienza con rumore di fondo e il FOV complessivo è ancora più piccolo di quello di un microscopio tradizionale con la stessa risoluzione.
Array di metalli in scala di chip per il dispositivo di imaging metalens incorporato nella polarizzazione (PMID) e il sistema di microscopio portatile compatto (PMS):(a) array di metalli in scala di chip integrato nel sensore di immagine CMOS con immagini ingrandite; (b) il PMS con dimensioni compatte di 3×3,5×4 cm3 integrando PMID, portacampioni, polarizzatore LC e sorgente LED; e (c) immagine microscopica ad ampio campo per un bio-campione della sezione trasversale del gambo di pino che copre un FOV di 4 × 4 mm2 con una risoluzione di 1,74 μm. L'area del riquadro blu è il campo visivo registrato di un microscopio tradizionale. Credito:Ye et al.
La qualità dell'immagine significativamente migliorata è ora possibile con l'imaging a risoluzione più elevata, grazie ai ricercatori dell'Università di Nanchino che hanno sviluppato un dispositivo di imaging metalens (PMID) incorporato nel polarizzatore. Come riportato in Fotonica avanzata , il PMID è implementato sulla base di una metasuperficie di nitruro di silicio montata su un sensore di immagine CMOS con un filtro fisso a polarizzazione circolare inserito tra i due. Elimina i rumori di fondo e consente persino di ingrandire l'immagine.
Il sistema si basa su uno speciale array di metalli co-e-cross-multiplexed e un polarizzatore incorporato. Integrandoli in un sensore CMOS su scala di chip, i ricercatori hanno sviluppato con successo una tecnica di microscopia ad ampio campo visivo e DOF di alta qualità. Si ottengono prestazioni significativamente elevate, con un 4×4 mm 2 FOV, a 1,74-μ risoluzione m (limitata dalla dimensione dei pixel CMOS) e ~200-μ m DOF (gamma di lunghezze d'onda 450-510 nm). Questo FOV è da 5 a 7 volte quello di un microscopio tradizionale con la stessa risoluzione. Il team ha dimostrato le eccezionali prestazioni di microscopia mediante l'imaging di un gran numero di biocampioni.
Secondo l'autore senior Tao Li, ricercatore principale presso il National Laboratory of Solid-State Microstructures dell'Università di Nanchino, "Per quanto ne sappiamo, questa è la prima volta che un imager metalens accede a un FOV più grande di un microscopio tradizionale con una qualità di imaging simile. Spulciando la lunghezza d'onda dell'illuminazione, il dispositivo è in grado di ottenere simultaneamente immagini a grande profondità di campo, grazie alla grande natura dispersiva dei metalli". Li osserva inoltre:"Questo PMID in scala di chip consente l'implementazione di un sistema di microscopio portatile miniaturizzato, con una riduzione di volume e peso di mille volte rispetto a un microscopio tradizionale".
Questo microscopio in scala di chip promette di rivoluzionare i dispositivi ottici tradizionali, presentando un nuovo orizzonte di dispositivi di imaging ultracompatti alimentati dalla metatecnologia. + Esplora ulteriormente
