光影交織中，立于幕布前小小紙片人呈現出別樣視覺沖擊。皮影，坊間藝術，光影下的傳奇。近年來，皮影文化雖然逐漸淡出現代生活，但文化和科技一脈相承。皮影為科研人員探尋光影顯微世界提供豐富靈感。

　　在南京大學電子科學與工程學院副研究員楊程看來，細胞就是皮影，成像芯片則是幕布，光影將細胞投影到芯片上，芯片分辨率越高，捕捉的圖像視野就越大，就能看到更加細微的細胞。這也是顯微成像系統的構成原理。近日，楊程團隊將成像芯片器件像素尺寸從1微米降低到500納米，像素規模從100萬增加到4億。這一成果耗費了整整十二年。

　　微觀起家史：從傳統光學鏡頭到圖像傳感器

　　四百年前，顯微鏡誕生，微觀世界從此清晰地呈現在人們眼中，掙脫了200微米的肉眼可見禁錮。然而傳統光學顯微鏡通過目鏡和物鏡，兩次局部放大目標物體，進行觀察或者成像芯片記錄。觀察視角被光學放大區限制，陷入一種放大倍數越大，觀察視角越小的死循環中。

　　圖像傳感器吹響傳統顯微鏡革命號角。圖像傳感器將光學圖像轉換為電子信號，廣泛地應用在數碼相機和其他電子光學設備中。CMOS圖像傳感器(CIS)作為市場主流，采用CMOS工藝，工藝成本較低，具有高幀頻、高動態范圍、低噪聲等優勢。另外，CIS的陣列架構為每個像素獨立，各像素單元之間無相互影響，工作速度快、成品率較高。

　　但因為CIS的單元像素由一個二極管和三、四個晶體管組成，像素尺寸縮小，信噪比無法滿足成像需求，圖像傳感器技術無法化解信噪比和像素尺寸間的矛盾。

　　核心器件“減肥”成功 芯片規模集成

　　對于投影顯微成像來說，分辨率直接受限于成像芯片的像素尺寸，視野則受限于芯片的像素規模。因此，解決芯片器件的尺寸、像素不能同部提升的問題是首要目標。

　　研究團隊從結構設計，像素串擾、保持信噪比等入手，研發出垂直電荷轉移成像器件(VPS)，垂直堆疊CIS器件中形成像素的5大功能模塊，形成一個整體。“五合一”的像素結構，大大節省了器件空間，芯片中可以集成更多器件。此外，VPS器件并不會像主流的互補金屬氧化物半導體(CMOS)圖像傳感器一樣因為像素縮小而導致成像質量急劇下降，而是為像素和質量的上雙保險。

　　十二年間，研究團隊想一步、走一步，克服千難萬險：2010年100萬像素規模、1微米的芯片，實現了亞微米尺寸像素;2012年研制2500萬像素、950納米尺寸的芯片，解決了器件大規模集成的問題;2015年像素規模提高到1.4億，實現了近場和遠場成像;2018年，像素尺寸500納米，像素規模達到4億，該芯片是一款空間分辨率高的可見光成像芯片。

　　行業應用廣泛 數字顯微芯片成為現實

　　圖像傳感芯片兼備等多重優勢，廣泛應用于體外診斷行業，與光學透鏡、機械掃描裝置等方面，提升了光學檢測的精度。

　　目前，隨著芯片技術不斷精進，數字顯微芯片正在成為現實。團隊研制的高分辨率數字芯片顯微成像系統用于臨床醫學檢驗和病理分析。

　　數字顯微芯片表面粘有微流腔，即中間是一片透明的玻璃片，兩頭各有一根細短的導流管。微米尺度的細胞通過導流管注入到微流腔，平鋪在成像芯片表面，光源照在細胞上，芯片的像素可以同時攝取整個芯片表面的光信號，經光電轉換，快速呈現全視野高分辨率的細胞投影圖像，瞬時捕獲細胞、微生物或微粒子的顯微圖像。

　　由于VPS單個晶體管的特殊像素結構，像素尺寸越小，分辨細節便越小，而當像素數目越多，觀測的視野就越大。

　　數字顯微芯片，突破了光學顯微鏡高分辨和大視野無法兼得的矛盾，單次拍照即可瞬間獲取全視野高分辨率數字圖像，比傳統顯微鏡視野擴大500倍。不僅如此，數字顯微芯片核心部件較小，使用中可以大大縮小設備體積，這給未來醫療器械進入社區、家庭提供很大的想象空間。

　　目前，團隊利用數字顯微芯片完成了血細胞、糞、尿有形成分，陰道微生態的形態學檢測，宮頸癌脫落細胞篩查等方面的初步驗證。