Исследователи создали самый маленький в мире кремниевый светодиодный и голографический микроскоп, который открывает широкий спектр потенциальных применений, включая превращение камеры вашего смартфона в портативный микроскоп с высоким разрешением.
Фотоника — это область технологии, связанная с передачей и свойствами фотонов. Развитие фотоники привело к инновациям в самых разных областях, включая оптическую передачу данных, визуализацию, науки о жизни и здравоохранение, а также освещение и дисплеи.
В то время как фотонные чипы — микрочипы, содержащие два или более фотонных компонента, которые образуют функционирующую схему — прошли долгий путь в области освещения, интеграция небольшого яркого излучателя света на кристалле оставалась труднодостижимой. Обычно производители прибегают к использованию внешнего источника света, который имеет низкую энергоэффективность и ограничивает масштабируемость фотонных чипов.
Но благодаря исследователям из Альянс исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART), который разработал самый маленький в мире кремниевый светодиод (LED) шириной менее микрометра с интенсивностью, сравнимой с гораздо более крупными кремниевыми светодиодами.
<р>Предыдущие встроенные эмиттеры было трудно интегрировать в стандартные комплементарные платформы металл-оксид-полупроводник (КМОП). КМОП — это интегральная схема, построенная на печатной плате, полупроводниковая технология, используемая в большинстве современных микросхем. В мобильных телефонах КМОП используется в качестве «глазка» камеры.
Здесь исследователи поместили свой крошечный кремниевый светодиод в 55-нм узел КМОП рядом с другими фотонными и электронными компонентами — все на одном чипе. .
Чтобы проверить, как их светодиод можно использовать в реальной ситуации, они поместили его в безлинзовый голографический микроскоп. Безлинзовые микроскопы меньше обычных микроскопов и дешевле, поскольку не требуют сложной и точной системы линз. Они используют источник света для освещения образца; затем свет рассеивается на цифровом датчике изображения CMOS, создавая цифровую голограмму, которую компьютер обрабатывает для создания изображения.
Могут возникнуть трудности с безлинзовой голографической микроскопией при восстановлении изображения. Обычно для точной реконструкции требуется подробное знание апертуры и длины волны источника света, а также расстояния от образца до датчика. Чтобы преодолеть эту трудность, исследователи использовали алгоритм нейронной сети для реконструкции объектов, наблюдаемых в голографический микроскоп. Нейронные сети – это компьютерные системы, которые имитируют сети человеческого мозга, опираясь на обучающие данные для обучения и повышения их точности с течением времени.
Исследователи обнаружили, что их голографическая линза обеспечивает более точное изображение с высоким разрешением, чем обычный оптический микроскоп. Они подсчитали, что его разрешение составляет примерно 20 микрометров (микрон). Для контекста, клетка кожи человека имеет диаметр от 20 до 40 микрон; Размер лейкоцита составляет около 30 микрон.
Исследователи видят множество применений для своих микро-светодиодов и нейронной сети с интегрированной КМОП-матрицей следующего поколения, включая реконструкцию микроскопических объектов, таких как образцы тканей человека и семена растений. И исследователи говорят, что его можно использовать в существующих камерах смартфонов, просто изменив силиконовый чип и программное обеспечение телефона, превратив телефон в микроскоп с высоким разрешением.
«Помимо его огромного потенциала в области безлинзовой голографии, Наш новый светодиод имеет широкий спектр других возможных применений, — сказал Раджив Рам, соответствующий автор исследования. идеально подходит для приложений биовизуализации и биодатчиков, включая микроскопию ближнего поля и имплантируемые устройства CMOS».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Communications.
