Самый маленький в мире светодиод может превратить камеру телефона в микроскоп высокого разрешения
Исследователи создали самый маленький в мире кремниевый светодиод, который открывает широкий спектр потенциальных применений, включая превращение камеры смартфона в портативный микроскоп с высоким разрешением.
Фотоника — это область науки и технологии, связанная с передачей и свойствами фотонов. Развитие фотоники привело к инновациям в самых разных областях, включая оптическую передачу данных, визуализацию, освещение, дисплеи и др.
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 внечиповые излучатели могут уйти в прошлое благодаря исследователям из сотрудничества SMART (Singapore-MIT Alliance for Research and Technology), которые разработали самый маленький в мире кремниевый светодиод (LED) — размером менее микрометра, с интенсивностью, сравнимой с гораздо более крупными кремниевыми светодиодами.
Предыдущие встроенные эмиттеры было трудно интегрировать в стандартные комплементарные платформы металл-оксид-полупроводник (CMOS).
CMOS — это интегральная схема, построенная на печатной плате, полупроводниковая технология, используемая в большинстве современных микросхем. В мобильных телефонах CMOS используется и как «глазок» камеры.
Исследователи расположили свой крошечный кремниевый светодиод в узел 55 нм CMOS вместе 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 цифровой датчик 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, ученые использовали алгоритм нейронной сети для реконструкции объектов, наблюдаемых в голографический микроскоп. Нейронные сети — это компьютерные системы, которые имитируют сети человеческого мозга, полагаясь на обучающие данные для «получения знаний» 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 сравнения, клетка кожи человека имеет диаметр от 20 до 40 микрон; размер лейкоцита составляет около 30 микрон.
Ученые видят множество применений для своих микро-светодиодов и нейронной сети с интегрированной CMOS-матрицей следующего поколения, включая реконструкцию микроскопических объектов, таких как образцы тканей человека и семена растений. И они говорят, что изобретение можно использовать в существующих камерах смартфонов, просто изменив силиконовый чип и программное обеспечение телефона, превратив телефон в микроскоп с высоким разрешением.
«Помимо своего огромного потенциала в безлинзовой голографии, наш новый светодиод имеет широкий спектр других возможных применений, включая микроскопию ближнего поля и имплантируемые CMOS-устройства», — сказал Раджив Рам, автор исследования.
Статья была опубликована в журнале Nature Communications.