科技生活| 世界最细LED一微米宽 手机镜头变高清显微镜

研究人员创造了世界上最小的硅发光二极管(LED)和全息显微镜，开辟了广泛的潜在用途，包括将你的智能手机镜头变成一个便携式高解像度显微镜。

光子学(Photonics)是与光子的传输和特性有关的技术领域。光子学的发展导致了广泛领域的创新，包括光学数据通信、成像、生命科学和医疗保健，以及照明和显示。

虽然光子芯片，即包含两个或更多光子元件的微芯片构成了一个功能电路，在照明领域已经取得了长足的进步，但集成一个小型、明亮的片上发光器仍然难以实现。通常情况下，制造商会采用片外光源，这种光源的能源效率低，限制了光子芯片的可扩展性。

但是，由于新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟(SMART)的研究人员已经开发出世界上最小的硅发光二极管(LED)，宽度不到一微米，其强度可与大得多的硅LED相媲美，片外发射器(off-chip emitters)可能成为过去式。

以前的片上发射器很难集成到标准的互补金属氧化物半导体(CMOS)平台。CMOS是一种建立在印刷电路板上的集成电路，是当今大多数芯片使用的半导体技术。在移动电话中，CMOS被用作相机的“眼睛”。

在这里，研究人员将他们的微型硅LED放在一个55纳米的CMOS节点中，与其他光子和电子元件一起，全部放在一个芯片上。

为了测试他们的LED如何在现实世界中使用，他们将其放置在一个无透镜的全息显微镜中。无透镜显微镜比普通显微镜要小，而且价格较低，因为它们不需要复杂、精确的透镜系统。它们使用一个光源来照亮样品；然后光线散射到一个CMOS数码图像传感器上，形成一个数码全息图，由电脑处理产生图像。

无透镜全息显微镜在重建图像方面可能存在困难。通常情况下，准确的重建需要详细了解源光的孔径和波长，以及样品到传感器的距离。为了应对这一困难，研究人员使用了一种神经网络算法来重建全息显微镜观察的物体。神经网络是模仿人脑网络的电脑系统，依靠训练数据来学习并随着时间的推移提高其准确性。

研究人员发现，他们的全息镜头提供了比普通光学显微镜更精确的高解像度图像。他们计算出，其解像度大约为20微米（microns）。就背景而言，一个人类皮肤细胞的宽度为20至40微米，一个白血球约为30微米。

研究人员认为他们的下一代CMOS集成的微型LED和神经网络有许多用途，包括重建微观物体，如人体组织样本和植物种子。而且，研究人员说，只需修改手机的硅芯片和软件，它就可以用于现有的智能手机摄像头，将手机转换成高解像度的显微镜。

该研究的通讯作者Rajeev Ram说：“除了在无透镜全息技术方面的巨大潜力，我们的新LED还有其他广泛的可能用途。因为它的波长在生物组织的最小吸收窗口内，再加上它的高强度和纳米级的发射区域，我们的LED可能是生物成像和生物感应应用的理想选择，包括近场显微镜和植入式CMOS设备。”

图片：SMART

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