世界最小LED可將手機攝像頭轉(zhuǎn)換為高分辨率顯微鏡

日前，新加坡研究人員開發(fā)出世界上最小的LED（發(fā)光二極管），可以將現(xiàn)有手機攝像頭轉(zhuǎn)換為高分辨率顯微鏡。新LED小于光的波長，用于制造世界上最小的全息顯微鏡，為手機等日常設(shè)備中的現(xiàn)有相機僅通過修改硅芯片和軟件即可轉(zhuǎn)換為顯微鏡鋪平了道路。這項技術(shù)也代表了室內(nèi)農(nóng)業(yè)診斷小型化和可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要一步。 這一突破得到了研究人員開發(fā)革命性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的補充，該算法能夠重建全息顯微鏡測量的物體，從而能夠增強對細(xì)胞和細(xì)菌等微觀物體的檢查，而無需笨重的傳統(tǒng)顯微鏡或額外的光學(xué)器件。構(gòu)建小于微米的強大片上發(fā)射器，這一直是該領(lǐng)域的一個挑戰(zhàn)，這項研究還為光子學(xué)的重大進(jìn)步鋪平了道路。

a）?完全制造的300毫米晶圓的照片。（b）?芯片模塊特寫。（c） LED亮起的紅外顯微照片。（d）?全息顯微鏡裝置。（e）?重建的全息圖像與（f）實際實況的比較。 大多數(shù)光子芯片中的光來自片外光源，這導(dǎo)致整體能效低，從根本上限制了這些芯片的可擴展性。為了解決這個問題，研究人員開發(fā)了使用各種材料的片上發(fā)射器，如稀土摻雜玻璃、硅基和異質(zhì)集成的III-V族材料。雖然基于這些材料的發(fā)射器顯示出有前途的器件性能，但將其制造工藝集成到標(biāo)準(zhǔn)的互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺中仍然具有挑戰(zhàn)性。 ?

雖然硅（Si）已顯示出作為納米級和可單獨控制發(fā)射器的候選材料的潛力，但由于間接帶隙，Si發(fā)射器的量子效率較低，并且這一基本缺點加上可用材料和制造工具的限制阻礙了CMOS中小型原生硅發(fā)射器的實現(xiàn)。

在最近發(fā)表的一篇名為“集成在CMOS平臺中的亞波長Si LED”的《自然·通信》（Nature Communications）論文中，SMART研究人員描述了他們開發(fā)的最小硅發(fā)射器，其光強度與發(fā)射面積更大的最先進(jìn)的硅發(fā)射器相當(dāng)。在一項相關(guān)的突破中，SMART研究人員還公布了他們構(gòu)建的一種新的，未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，該架構(gòu)能夠重建來自全息顯微鏡的圖像，題為“同時光譜恢復(fù)和CMOS micro-LED全息與未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”最近發(fā)表在Optica雜志上。 由SMART研究人員開發(fā)的新型LED是一種CMOS集成的室溫亞波長尺度LED，具有高空間強度（102±48 mW/cm2）并具有最小的發(fā)射面積（0.09±0.04μm2）在科學(xué)文獻(xiàn)中所有已知的硅發(fā)射器中。為了展示潛在的實際應(yīng)用，研究人員隨后將這種LED集成到一個在線的厘米級全息顯微鏡中，不需要透鏡或針孔，這是無透鏡全息領(lǐng)域不可或缺的一部分。

使用LED、全息顯微鏡和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像重建的過程圖示 無透鏡全息術(shù)中常見的障礙是成像對象的計算重建。傳統(tǒng)的重建方法需要詳細(xì)了解實驗設(shè)置才能進(jìn)行精確重建，并且對難以控制的變量（如光學(xué)像差、噪聲的存在和孿生圖像問題）敏感。 研究團隊還開發(fā)了一種深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以提高圖像重建的質(zhì)量。這種新穎的、未經(jīng)訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合了全變異正則化以增加對比度，并考慮了源的寬頻譜帶寬。 與需要訓(xùn)練數(shù)據(jù)的傳統(tǒng)計算重建方法不同，該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過在算法中嵌入物理模型來消除訓(xùn)練的需要。除了全息圖像重建外，中性網(wǎng)絡(luò)還提供從單個衍射強度模式中恢復(fù)的盲源光譜，這標(biāo)志著與以前所有監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)的突破性背離。

本研究中展示的未經(jīng)訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)允許研究人員使用新型光源，而無需事先了解光源光譜或光束輪廓，例如上面描述的新穎和最小的已知硅LED，通過完全商業(yè)化，未經(jīng)修改的批量CMOS微電子制造。

研究人員設(shè)想，CMOS微型LED和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的這種協(xié)同組合可用于其他計算成像應(yīng)用，例如用于活細(xì)胞跟蹤的緊湊型顯微鏡或生物組織（如活植物）的光譜成像。這項工作還證明了下一代片上成像系統(tǒng)的可行性。在線全息顯微鏡已被用于各種應(yīng)用，包括顆粒跟蹤、環(huán)境監(jiān)測、生物樣品成像和計量學(xué)。進(jìn)一步的應(yīng)用包括在CMOS中排列這些LED，以便將來為更復(fù)雜的系統(tǒng)生成可編程相干照明。 Optica論文的主要作者兼麻省理工學(xué)院的研究助理Iksung Kang說：“我們的突破代表了概念驗證，可能對需要使用micro-LED的眾多應(yīng)用產(chǎn)生巨大影響。例如，該LED可以組合成一個陣列，以獲得更大規(guī)模應(yīng)用所需的更高水平的照明?！?/p>

此外，由于微電子CMOS工藝的低成本和可擴展性，可以在不增加系統(tǒng)復(fù)雜性、成本或外形尺寸的情況下完成此操作。這使我們能夠相對輕松地將手機相機轉(zhuǎn)換為這種類型的全息顯微鏡。此外，控制電子設(shè)備甚至成像儀都可以通過利用過程中可用的電子設(shè)備集成到同一個芯片中，從而創(chuàng)建一個一體化的微型LED，可能對該領(lǐng)域產(chǎn)生變革。 麻省理工學(xué)院電氣工程教授，兩篇論文的共同作者，SMART CAMP和DiSTAP首席研究員Rajeev Ram補充道：“除了在無透鏡全息技術(shù)方面的巨大潛力之外，我們的新型LED還具有廣泛的其他可能應(yīng)用。由于其波長在生物組織的最小吸收窗口內(nèi)，加上其高強度和納米級發(fā)射區(qū)域，我們的LED可能是生物成像和生物傳感應(yīng)用的理想選擇，包括近場顯微鏡和植入式CMOS設(shè)備。此外，可以將這種LED與片上光電探測器集成，然后它可以在片上通信，NIR接近傳感和光子學(xué)的晶圓測試中找到進(jìn)一步的應(yīng)用。”

編輯：黃飛

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