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芯片|为了给细胞来张“高清全景”照 成像芯片器件集体“瘦身”

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关注国家重点研发计划“纳米科技”重点专项②
500纳米
2009年至今 ， 团队将像素尺寸从1微米降低到500纳米 ， 将像素规模从100万增加到4亿 ， 研制出了世界上单芯片像素规模最大、空间分辨率最高的可见光成像芯片 。
【芯片|为了给细胞来张“高清全景”照 成像芯片器件集体“瘦身”】立于幕布前 ， 举起剪裁精致的人物皮影 ， 一出惟妙惟肖的皮影戏就此登场 。 鲜为人知的是 ， 皮影戏里不只有中国民间传统艺术 ， 也有启发科研人员探寻光影世界微观成像的灵感 。
“如果把细胞比作皮影 ， 把成像芯片比作幕布 ， 那么用光将细胞投影到芯片上 ， 就相当于将皮影投影到幕布上 ， 所见即所得 。 成像芯片的分辨率足够高 ， 能捕捉的图像视野足够大 ， 就能看到更多的细胞 ， 同时还能清晰地看到细胞里的细节 。 ”近日 ， 在位于南京市东郊的一处实验室中 ， 南京大学电子科学与工程学院副研究员杨程拿着一块指甲盖大小的芯片 ， 用这番比喻 ， 讲述了该团队十余年的“光影之旅” 。
对于投影显微成像来说 ， 分辨率直接受限于成像芯片的像素尺寸 ， 视野则受限于成像芯片的像素规模 。 在科技部国家重点研发计划“纳米科技”重点专项的支持下 ， 2009年至今 ， 该团队将像素尺寸从1微米降低到500纳米 ， 将像素规模从100万增加到4亿 ， 研制出了世界上单芯片像素规模最大、空间分辨率最高的可见光成像芯片 。
而支撑芯片技术的核心 ， 是原始创新技术——垂直电荷转移成像器件（VPS） 。 科研团队像搭乐高积木一样 ， 将图像传感器中原本需要5个器件才能完成的单元像素功能 ， 在垂直方向上集成为一个统一的器件 。 “五合一”的像素结构 ， 大大节省了器件空间 ， 这使得在“寸土寸金”的芯片中 ， 可以集成更多“瘦身”的器件 。 得益于这一结构的设计 ， VPS器件并不会像主流的互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器一样因为像素缩小而导致成像质量急剧下降 。
近期 ， 该团队在芯片的基础上 ， 还研制了全视野高分辨率数字芯片显微成像系统 ， 用于临床医学检验和病理分析 。
像素尺寸无法不断缩小
我们肉眼能看到的最小物体 ， 大约200微米 。 400多年前 ， 科学家发明光学显微镜后 ， 微观世界的奇观才在镜片下大放异彩 。 不过 ， 传统光学显微镜先是通过物镜和目镜对目标物体进行两次局部放大 ， 然后人眼进行观察或者成像芯片记录 。 观察的视场受限于光学放大的区域 ， 也就是说 ， 放大倍数越大 ， 所观察的视野越小 。
图像传感器是一种将光学图像转换成电子信号的设备 ， 它被广泛地应用在数码相机和其他电子光学设备中 。 进入工业化时代 ， 主流图像传感器技术却始终无法突破像素尺寸与信噪比之间的矛盾 。

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