光學鏡頭讓手機化身顯微鏡

【本刊訊】美國休士頓大學電機及電腦工程學系助理教授石為穿與他的團隊,開發出的光學鏡頭,可以置入低價的智慧型手機上,安裝簡單,無須任何附加裝置。它具有放大圖像120倍的成像能力,並且一個鏡頭的成本只需3分美金(約不到新臺幣1元),由於它的低價與便利性,對於年學生來說是很理想的課堂材料。它也可望應用於臨床研究,使小型或偏遠的診所和其他地區的專家可以共享醫學影像。

傳統透鏡的製造採用剛性材料,需仰賴精湛的工藝技術,準確控制各種參數,因而成本極高。而液體透鏡提供另一種選擇:當一顆水滴沉積在表面上,可產生非常光滑,彎曲的表面,便可做為透鏡。聚二甲基矽氧烷(Polydimethylsiloxane, PDMS)是一種高分子的有機矽化合物,具光學透明特性,稠度近似於蜂蜜,也可以形成液體透鏡。它是一種熱固化的彈性材料,可在原位(in situ)進行塑型並加熱固化,能防止液滴過度延展,維持表面曲率。

這項研究成果於5月發表在《生醫光學期刊》(Journal of Biomedical Optics)上,成品的製程是透過噴墨列印技術以及熱輔助固化PDMS材料,製作出可應用於手機的光學鏡頭。科學家們讓PDMS精準的滴到預熱的表面,進行固化,因此鏡片的彎曲程度以及放大倍率取決於PDMS加熱的溫度以及時間。這樣的鏡頭具有彈性,就好比較厚一點、較小一點的軟式隱形眼鏡一樣,安裝鏡頭很簡單、不需附加裝置,因鏡頭尺寸小且焦距在毫米範圍內的特性,可高度適用於商業電子產品,如智慧型手機和數位相機。又PDMS和玻璃之間有強烈但非永久的粘附性,令透鏡能夠容易取下及更換。智慧型手機結合PDMS鏡頭,可將成像放大120倍,光學分辨率達1微米,可觀測到人體皮膚細胞。

傳統顯微鏡雖擁有更多功能,但價格貴得多,可達一萬美元,團隊估計大量生產PDMS鏡頭後,每個鏡頭的成本約僅耗資3分美元。研究團隊認為此鏡頭可應用在教育方面,學生可以輕易用智慧型手機分享、上傳顯微鏡的照片,而因為鏡頭便宜,他們即使損壞或弄丟鏡頭,也不至於有太大損失。大量生產鏡頭需要資金,他們透過Indiegogo募資平台,希望能募得12000美元來建造生產設備,目前資金已達3000美元。他們將鏡頭分享給臺灣的教育部,以及休士頓大學裡數學與科學教師的培育計畫teachHOUSTON。

來源:Sung, Y. L. et al., Fabricating optical lenses by inkjet printing and heat-assistedin situcuring of polydimethylsiloxane for smartphone microscopy, Journal of Biomedical Optics, 2015.

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