Университет штата Монтана интегрировал MEMS в объектив микроскопа, создав устройство с высокой числовой апертурой.

Развитие технологий визуализации живых биологических образцов требует миниатюризации и расширения функциональности платформ лазерной конфокальной микроскопии. Миниатюризация и упрощение структуры сканирующего устройства становятся возможными благодаря современным достижениям в сфере проектирования и конструирования MEMS.

Специалисты из Университета штата Монтана (г. Бозман, шт. Монтана, США) разработали объектив микроскопа со встроенным MEMS, выполняющий двухосное сканирование, регулирующий осевой фокус и контролирующий сферическую аберрацию (см. рисунок).

Объектив микроскопа со встроенным MEMS

3D-сканер луча новой оптической системы помещен в объектив между передним элементом гиперлинзы с высокой числовой апертурой и группой задних линз с низкой числовой апертурой. В основе устройства – ​недавно разработанное гибридное MEMS-зеркало из полимеров и кремния для трехмерного сканирования. Его кольцевая диафрагма позволяет осуществлять соосное совмещение внутри линзы объектива без использования делителя луча.

Ранее MEMS-устройства чаще размещались не внутри, а вне объектива. Расположение MEMS-сканера перед объективом позволяет заменить методику гальванического сканирования, однако требует обеспечения хорошей работы линзы в необходимом диапазоне углов луча в соответствии с полем зрения, необходимом для изучения биологической ткани. Расположение MEMS после линзы объектива позволяет миниатюризировать и одновременно упростить структуру линзы, при этом требуется значительное рабочее расстояние между линзой и биологической тканью для размещения сканера, в результате чего числовая апертура системы ограничена, отсутствует возможность воспользоваться преимуществами малого объектива.

Расположение MEMS внутри объектива позволяет осуществлять боковое сканирование, необходимое для формирования изображения, изменять фокус луча, регулируя его кривизну, выполнять точную настройку, связанную со сферической аберрацией (доминирующей оптической аберрацией для устройств с высокой числовой апертурой). MEMS-сканер преломляет луч при низкой числовой апертуре, при этом миниатюрная линза с простой структурой обладает высокой числовой апертурой.

Активная поверхность MEMS-сканера позволяет динамически корректировать сферическую аберрацию в процессе сканирования. В традиционных микроскопах для выполнения данной задачи линза объектива оснащается дополнительными стеклянными элементами. Эффективное размещение MEMS внутри линзы позволяет отказаться от них и создать более компактное и универсальное решение.

Испытания объектива включали изучение структурированной пленки с высокой отражательной способностью, образца клеток щеки человека, суспензии полистирольных микросфер. Разрешение и поле зрения сопоставимы с традиционными конфокальными микроскопами с аналогичной числовой апертурой.

Микроскопия с высокой числовой апертурой востребована для развития эндоскопических методов диагностики онкологических заболеваний. Так, оптическая биопсия, направленная на выявление рака кожи, проводится на основе отражающей конфокальной микроскопии, что устраняет необходимость проведения физической биопсии. В настоящее время значительные габариты микроскопов не позволяют использовать их для эндоскопического обследования желудочно-кишечного тракта и других внутренних органов. Разработка Университета штата Монтана обеспечивает возможность миниатюризации микроскопического оборудования при сохранении или улучшении его оптических характеристик. Миниатюризация будет способствовать решению фундаментальных вопросов биологической науки, в том числе развитию амбулаторной микроскопии животных, заменяющей лабораторные исследования. Для изучения биологических систем на микроуровне не нужно будет извлекать образцы тканей из организма – ​миниатюрный имплантируемый микроскоп позволит изучать клетки в процессе их обычной жизнедеятельности.

MEMS-in-the-lens Offers Miniaturized Laser Scanning Microscope. Optics.org, July 22, 2019: https://optics.org/news/10/7/34