科技生活| 世界最細LED一微米寬 手機鏡頭變高清顯微鏡

研究人員創造了世界上最小的硅發光二極管(LED)和全息顯微鏡,開闢了廣泛的潛在用途,包括將你的智能手機鏡頭變成一個便攜式高解像度顯微鏡。

光子學(Photonics)是與光子的傳輸和特性有關的技術領域。光子學的發展導致了廣泛領域的創新,包括光學數據通信、成像、生命科學和醫療保健,以及照明和顯示。

雖然光子芯片,即包含兩個或更多光子元件的微芯片構成了一個功能電路,在照明領域已經取得了長足的進步,但集成一個小型、明亮的片上發光器仍然難以實現。通常情況下,製造商會採用片外光源,這種光源的能源效率低,限制了光子芯片的可擴展性。

但是,由於新加坡-麻省理工學院研究與技術聯盟(SMART)的研究人員已經開發出世界上最小的硅發光二極管(LED),寬度不到一微米,其強度可與大得多的硅LED相媲美,片外發射器(off-chip emitters)可能成為過去式。

以前的片上發射器很難集成到標準的互補金屬氧化物半導體(CMOS)平台。CMOS是一種建立在印刷電路板上的集成電路,是當今大多數芯片使用的半導體技術。在移動電話中,CMOS被用作相機的「眼睛」。

在這裡,研究人員將他們的微型硅LED放在一個55納米的CMOS節點中,與其他光子和電子元件一起,全部放在一個芯片上。

為了測試他們的LED如何在現實世界中使用,他們將其放置在一個無透鏡的全息顯微鏡中。無透鏡顯微鏡比普通顯微鏡要小,而且價格較低,因為它們不需要複雜、精確的透鏡系統。它們使用一個光源來照亮樣品;然後光線散射到一個CMOS數碼圖像傳感器上,形成一個數碼全息圖,由電腦處理產生圖像。

無透鏡全息顯微鏡在重建圖像方面可能存在困難。通常情況下,準確的重建需要詳細了解源光的孔徑和波長,以及樣品到傳感器的距離。為了應對這一困難,研究人員使用了一種神經網絡算法來重建全息顯微鏡觀察的物體。神經網絡是模仿人腦網絡的電腦系統,依靠訓練數據來學習並隨著時間的推移提高其準確性。

研究人員發現,他們的全息鏡頭提供了比普通光學顯微鏡更精確的高解像度圖像。他們計算出,其解像度大約為20微米(microns)。就背景而言,一個人類皮膚細胞的寬度為2040微米,一個白血球約為30微米。

研究人員認為他們的下一代CMOS集成的微型LED和神經網絡有許多用途,包括重建微觀物體,如人體組織樣本和植物種子。而且,研究人員說,只需修改手機的硅芯片和軟件,它就可以用於現有的智能手機攝像頭,將手機轉換成高解像度的顯微鏡。

該研究的通訊作者Rajeev Ram說:「除了在無透鏡全息技術方面的巨大潛力,我們的新LED還有其他廣泛的可能用途。因為它的波長在生物組織的最小吸收窗口內,再加上它的高強度和納米級的發射區域,我們的LED可能是生物成像和生物感應應用的理想選擇,包括近場顯微鏡和植入式CMOS設備。」

圖片:SMART

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