无透镜的显微镜

戴夫:在过去400年左右的时间里，显微镜发展得如此之快，以至于17世纪的科学家们常常认不出显微镜来。他们可以用不可见的光、电子甚至原子来观察，有些甚至可以观察到单个原子的运动。但几乎所有的显微镜都有一个共同点——透镜。它可能是磁性的或电的，而不是由玻璃制成的，但仍然有一个元素来聚焦。然而，来自加州理工大学的杨昌辉教授正试图完全去除显微镜中的透镜。

杨教授，把透镜放到显微镜里有什么问题?

昌辉:嗯，你会遇到成本问题。传统显微镜中那些复杂的光学元件确实需要花费大量的钱来制造，才能很好地实现它。你还会遇到散光，色度。基本上，这是镜头固有的扭曲，你必须忍受或与之抗争。

戴夫:所以从本质上讲，它们是一种非常复杂、很难制作的东西。如果你可以不用他们，这只会让整个事情变得更容易，更便宜?

昌辉:没错，这基本上就是我们小组正在做的研究，基本上就是想出其他的方法来做显微镜，这些方法根本不需要透镜。

戴夫:你是怎么想到这么做的?

changhui -嗯，这个想法来自于我们很多人眼中看到的漂浮物。我会向你的观众描述一下，漂浮物基本上是漂浮在你眼球内的碎片当它靠近视网膜时，如果你仰望晴朗的蓝天，这些漂浮物投在你视网膜上的阴影会被捕捉到清晰的图像。

关于飞蚊症的有趣之处在于，如果你的眼睛里有飞蚊症，我鼓励你尝试下面的实验。试着摘下或戴上你的眼镜，或者只是试着聚焦或散焦你的眼睛，你会注意到，无论你做什么，这些漂浮物看起来都一样清晰。这表明，你看到的飞蚊，并不依赖于你眼睛里的镜片或眼镜来成像。

戴夫:所以这些是你看到的小图案，漂浮在周围的结构，尤其是当你看到一些强光的时候。

本，我可以担保。我有几次飞蚊症从我很小的时候就知道你说得很对无论我戴眼镜还是不戴眼镜，它们似乎都能很好地聚焦，即使我戴了隐形眼镜，漂浮物仍然在那里，它们还是一样的。对我来说，它们在显微镜下看起来就像细菌。它们看起来像杆状的斑点状的东西，没有真正的结构。

昌辉-你之所以看得很清楚是因为它们离视网膜层很近。就像如果你把手放在桌子附近，你可以看到一个清晰的阴影图像。同样的事情也发生在这些飞蚊身上。顺便说一下，这些漂浮物是相当小的物体。它们通常在100微米以上，是的，当我看到它们时，我看到了非常好的细节。这表明还有其他方法可以做显微镜。例如，如果你真的很感兴趣，你可以想象把你想看的物体直接注入你的眼睛，然后利用这种漂浮现象来看东西。

戴夫-我猜你不是建议我们这么做吧!

长辉:不，我当然不提倡那样做。但问题是，由于现在的手机几乎都有手机摄像头。这实际上让我们有技术可以用这个策略做一个非常便宜的成像。

戴夫:所以你基本上只要把你想看的东西直接放到手机摄像头的传感器上，或者我猜是你可以从货架上买到的东西。

长辉:没错。它们就像人工视网膜一样如果我们把细胞放在芯片上，或者让它们生长在芯片上，我们就可以用它来进行中等分辨率的成像。

戴夫:那么，仅仅把一个细胞放在相机芯片上，你能拍出多好的照片呢?

昌辉:好的，用这种方法可以得到的典型分辨率是4微米左右。在此背景下，典型的电池长度约为直径10微米。所以你不能通过这种方式看到细胞内部的特征，但你可以肯定地知道细胞的存在。我们所做的是我们进一步提高了分辨率通过提出一种方法我们给这些细胞拍了一堆快照当它们躺在传感器芯片上时，照明光源被扫描，这实际上给了我们足够的信息，我们可以进行处理，以获得显微镜分辨率。

戴夫:所以这是基于这样的想法，如果你说，把你的手从桌子上拿开一点，然后你移动一盏灯，它就会移动影子。

Changhuei -没错，请注意，即使传感器芯片上的像素大小相当大，如果你拍摄了足够多的阴影逐渐移动的图像，你就会收集到足够的信息，然后你可以处理得到一个高分辨率的图像。

戴夫:所以，如果你的阴影在一个像素上是一半，在另一个像素上是一半，如果你稍微移动一下光线，它在第一个像素上的阴影会略多于一半，在第二个像素上的阴影会少一些。

长辉:没错。

戴夫:你可以用这些信息来计算出影子应该在哪里?

长辉:没错。

戴夫:你的显微镜实际上是一个相机，光线在上面移动，所以你真的会移动光线吗?

昌辉-我们实现光移动的方法是简单地用一个显示器，在显示器上显示一个圆形的白光团，然后这个白光团在显示器上移动，这样就产生了不同的角度位移，这是我们成像所需要的。

戴夫:太棒了!那么你会在哪里看到它的应用呢?

changhui -所以我们认为这对生物学和生物医学应用都很有用。例如，在生物学中，我们的一个合作者是干细胞研究者当他培养干细胞时，当它们开始分化时，其中一些干细胞实际上变得高度活跃。

它们在芯片上到处移动，这使得他很难追踪自己的细胞去了哪里。但如果你真的在这个传感器芯片上培养这些细胞，并使用我们的方法进行显微镜级成像，你就可以自动捕获这些细胞，无论它们在芯片上的哪个位置。所以你不需要去找细胞，你只需要拍一张海绵快照，然后适当地处理它。

戴夫:所以不只是更便宜。它实际上做了其他种类的显微镜做不到的事情。

长辉:没错。所以传统显微镜的视野非常有限。我们通常讨论的是100微米× 100微米。这项新技术使我们能够看到传感器芯片的整个区域，而通常是在5毫米乘5毫米的地方。

戴夫:我想，而且它便宜得多，所以你可以在第三世界的情况下使用它。

长辉:没错。与此相关的一个应用是你可以用它来观察结核细胞培养，结核细菌培养。现在的方法是，你必须把结核菌培养物放入培养箱中，然后每隔一段时间取出来，在显微镜下进行检查。

如果你想想整个过程，它真的很老，劳动密集型，而且你还必须冒着很大的风险，让样本被污染，因为在显微镜和培养箱之间不断地穿梭。有了我们现有的系统，我们实际上可以简单地把整个成像系统安装在一个培养箱里，然后让培养箱把信息发送到培养箱外的电线上，或者通过Wi-Fi，这样你就可以实时地对细胞成像，跟踪它们，而不需要把它们从培养箱里取出来。