Технология позволяет превращать камеры мобильных телефонов в микроскопы с высоким разрешением
Исследователи из Сингапура разработали самый маленький в мире светодиод (светоизлучающий диод), который позволяет превращать существующие камеры мобильных телефонов в микроскопы с высоким разрешением. Новый светодиод, длина волны которого меньше длины волны света, был использован для создания самого маленького в мире голографического микроскопа, что проложило путь к превращению существующих камер в повседневных устройствах, таких как мобильные телефоны, в микроскопы только путем модификации кремниевого чипа и программного обеспечения.
(а) Фотография полностью изготовленной пластины диаметром 300 мм.
(b) Крупный план чипа.
(c) Инфракрасная микрофотография с включенным светодиодом.
(d) Установка голографического микроскопа.
(e) Крупный план реконструированного голографического изображения по сравнению с (f) основной правдой.
Предоставлено: Альянс исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART).
Эта технология также представляет собой значительный шаг вперед в миниатюризации диагностики для домашних фермеров и устойчивого сельского хозяйства.
Этот прорыв был дополнен разработкой исследователей революционного алгоритма нейронной сети, который способен реконструировать объекты, измеренные с помощью голографического микроскопа, что позволяет улучшить исследование микроскопических объектов, таких как клетки и бактерии, без необходимости использования громоздких обычных микроскопов или дополнительной оптики. Исследование также прокладывает путь к серьезному прогрессу в фотонике — созданию мощного встроенного излучателя размером меньше микрометра, что долгое время было проблемой в этой области.
Свет в большинстве фотонных чипов исходит от внешних источников, что приводит к низкой общей энергоэффективности и существенно ограничивает масштабируемость этих чипов. Чтобы решить эту проблему, исследователи разработали встроенные эмиттеры с использованием различных материалов, таких как стекло, легированное редкоземельными элементами, Ge-on-Si и гетерогенно интегрированные материалы AIIIBV. Хотя эмиттеры на основе этих материалов продемонстрировали многообещающие характеристики устройств, интеграция процессов их изготовления в стандартные комплементарные платформы металл-оксид-полупроводник (КМОП) остается сложной задачей.
В то время как кремний (Si) продемонстрировал потенциал в качестве материала-кандидата для наноразмерных и индивидуально управляемых эмиттеров, эмиттеры Si имеют низкую квантовую эффективность из-за непрямой ширины запрещенной зоны, и этот фундаментальный недостаток в сочетании с ограничениями, налагаемыми доступными материалами и инструментами изготовления, препятствует реализация небольшого родного Si-эмиттера в КМОП.
В недавно опубликованной статье Nature Communications под названием «Субволновой Si-светодиод, интегрированный в платформу CMOS», исследователи SMART описали свою разработку самого маленького из зарегистрированных кремниевых излучателей с интенсивностью света, сравнимой с интенсивностью света современных кремниевых излучателей с гораздо большей площадью излучения. В рамках связанного с этим прорыва исследователи SMART также недавно представили свою конструкцию новой необученной архитектуры глубокой нейронной сети, способной восстанавливать изображения с голографического микроскопа, в статье под названием «Одновременное спектральное восстановление и микро-светодиодная КМОП-голография с необученной глубокой нейронной сетью». Опубликовано в журнале «Оптика».
Новый светодиод, разработанный исследователями SMART, представляет собой КМОП-интегрированный светодиод субволнового диапазона при комнатной температуре, демонстрирующий высокую пространственную интенсивность (102 ± 48 мВт/см2) и обладающий наименьшей площадью излучения (0,09 ± 0,04 мкм2) среди всех известных Si эмиттеров в научной литературе. Чтобы продемонстрировать потенциальное практическое применение, исследователи затем интегрировали этот светодиод в линейный, полностью кремниевый голографический микроскоп сантиметрового масштаба, не требующий ни линзы, ни отверстия, что является неотъемлемой частью области, известной как безлинзовая голография.
Иллюстрация процесса реконструкции изображения с использованием светодиода, голографического микроскопа и нейронной сети.
Предоставлено: Альянс исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART).
Часто встречающееся препятствие в безлинзовой голографии — вычислительная реконструкция отображаемого объекта. Традиционные методы реконструкции требуют детального знания экспериментальной установки для точной реконструкции и чувствительны к трудно контролируемым переменным, таким как оптические аберрации, наличие шума и проблема двойного изображения.
Исследовательская группа также разработала архитектуру глубокой нейронной сети для улучшения качества реконструкции изображений. Эта новая необученная глубокая нейронная сеть включает регуляризацию полной вариации для увеличения контраста и учитывает широкую спектральную полосу пропускания источника.
В отличие от традиционных методов вычислительной реконструкции, для которых требуются обучающие данные, эта нейронная сеть устраняет необходимость в обучении, встраивая в алгоритм физическую модель. В дополнение к реконструкции голографического изображения нейтральная сеть также предлагает восстановление спектра слепого источника по единой дифрагированной картине интенсивности, что знаменует собой революционный отход от всех предыдущих методов обучения с учителем.
Необученная нейронная сеть, продемонстрированная в этом исследовании, позволяет исследователям использовать новые источники света без предварительного знания спектра источника или профиля луча, такие как новый и самый маленький из известных кремниевых светодиодов, описанный выше, изготовленный с использованием полностью коммерческой немодифицированной объемной микроэлектроники CMOS.
Исследователи предполагают, что эта синергетическая комбинация микросветодиодов CMOS и нейронной сети может быть использована в других вычислительных приложениях для обработки изображений, таких как компактный микроскоп для отслеживания живых клеток или спектроскопическая визуализация биологических тканей, таких как живые растения. Эта работа также демонстрирует осуществимость встроенных систем обработки изображений следующего поколения. Встроенные голографические микроскопы уже используются для различных приложений, включая отслеживание частиц, мониторинг окружающей среды, визуализацию биологических образцов и метрологию. Дальнейшие приложения включают размещение этих светодиодов в CMOS для создания программируемого когерентного освещения для более сложных систем в будущем.
Иксунг Канг, ведущий автор Opticaи научный сотрудник Массачусетского технологического института во время этого исследования, сказал: «Наш прорыв представляет собой доказательство концепции, которая может иметь огромное значение для многочисленных приложений, требующих использования микро-светодиодов. Например, этот светодиод может быть объединен в массив для более высоких уровней освещения, необходимых для крупномасштабных приложений. Кроме того, из-за низкой стоимости и масштабируемости процессов микроэлектроники CMOS это можно сделать без увеличения сложности, стоимости или форм-фактора системы. Это позволяет нам преобразовать с камеры мобильного телефона в голографическом микроскопе этого типа. Более того, управляющая электроника и даже формирователь изображения могут быть интегрированы в один и тот же чип, используя доступную электронику в процессе, таким образом создавая микро-светодиод «все в одном». Это могло бы изменить ситуацию в этой области."
«Помимо своего огромного потенциала в безлинзовой голографии, наш новый светодиод имеет широкий спектр других возможных применений. Поскольку его длина волны находится в пределах окна минимального поглощения биологических тканей, а также его высокая интенсивность и наноразмерная область излучения, наш светодиод может быть идеально подходит для биовизуализации и биосенсорных приложений, включая микроскопию ближнего поля и имплантируемые устройства CMOS», — добавил Раджив Рам, главный исследователь SMART CAMP и DiSTAP, профессор электротехники Массачусетского технологического института и соавтор обеих статей. «Кроме того, этот светодиод можно интегрировать с фотодетекторами на кристалле, и тогда он может найти дальнейшее применение для связи на кристалле, обнаружения приближения в ближнем ИК-диапазоне и тестирования фотоники на пластине».
