ساخت کوچک ترین LED جهان و تبدیل دوربین گوشی به میکروسکوپ پروضوح

محققان کوچک‌ترین LED سیلیکونی و میکروسکوپ هولوگرافیکی جهان را ساختند که طیف گسترده‌ای از کاربردهای بالقوه را ارائه می‌دهد، از جمله تبدیل دوربین گوشی هوشمند به یک میکروسکوپ قابل حمل و با وضوح بالا.

بازتاب-فوتونیک حوزه‌ای از فناوری است که به انتقال و خواص فوتون‌ها مربوط می‌شود. پیشرفت‌ها در فوتونیک منجر به نوآوری‌ها در طیف گسترده‌ای از زمینه‌ها از جمله ارتباطات داده‌های نوری، تصویربرداری، علوم زیستی و مراقبت‌های بهداشتی و نور و نمایشگرها شده است.

در حالی که تراشه‌های فوتونیک، ریزتراشه‌های حاوی دو یا چند جزء فوتونیک که یک مدار عملکردی را تشکیل می‌دهند و راه طولانی را در زمینه نورپردازی سپری کردند، امایکپارچه‌سازی یک ساطع‌کننده نور کوچک و روشن روی تراشه گریزان باقی مانده است. به طور معمول، سازندگان به استفاده از منبع نور خارج از تراشه متوسل شده که بازده انرژی پایینی دارد و مقیاس‌پذیری تراشه‌های فوتونی را محدود می‌کند.

اما به لطف محققان اتحاد تحقیقات و فناوری سنگاپور-MIT (SMART) که کوچک‌ترین دیود ساطع کننده نور سیلیکونی (LED) جهان را با سایز کمتر از یک میکرومتر تولید کرده‌اند، ساطع‌کننده‌های بدون تراشه ممکن است متعلق به گذشته باشند. عریض با شدتی قابل مقایسه با LEDهای سیلیکونی بسیار بزرگ‌تر.

ادغام ساطع کننده‌های روی تراشه قبلی در پلتفرم‌های استاندارد مکمل اکسید فلز-نیمه هادی (CMOS) دشوار بوده است. CMOS یک مدار مجتمع بوده که بر روی یک برد مدار چاپی ساخته شد، فناوری نیمه هادی که در بیشتر تراشه‌های امروزی استفاده می‌شود. در گوشی‌های هوشمند، CMOS به عنوان  دوربین شناخته می‌شود. در این بین محققان LED سیلیکونی کوچک خود را در یک گره CMOS با سایز 55 نانومتری در کنار سایر اجزای فوتونی و الکترونیکی قرار داده که همه روی یک چیپ هستند.

میکروسکوپ هولوگرافیک بدون عدسی در بازسازی تصویر ممکن است مشکلاتی داشته باشد. معمولاً یک بازسازی دقیق نیاز به دانش دقیق از دیافراگم و طول موج نور منبع و فاصله نمونه تا سنسور دارد. برای مقابله با این مشکل، محققان از یک الگوریتم شبکه عصبی برای بازسازی اشیاء مشاهده شده توسط میکروسکوپ هولوگرافیک استفاده کردند. شبکه‌های عصبی سیستم‌های رایانه‌ای هستند که شبکه‌های مغز انسان را تقلید می‌کنند و با تکیه بر داده‌های آموزشی برای یادگیری و بهبود دقت آنها در طول زمان انجام می‌شوند.

محققان دریافتند که لنز هولوگرافیک آنها تصاویر دقیق‌تری با وضوح بالا نسبت به میکروسکوپ نوری معمولی ارائه می‌دهد. آنها محاسبه کردند که وضوح آن تقریباً 20 میکرومتر است. برای بافت، یک سلول پوست انسان 20 تا 40 میکرون عرض دارد. یک گلبول سفید حدود 30 میکرون است.

محققان کاربردهای زیادی برای نسل بعدی میکرو LED و شبکه عصبی ادغام شده با CMOS خود می‌بینند، از جمله بازسازی اشیاء میکروسکوپی مانند نمونه‌های بافت انسانی و دانه‌های گیاهی و محققان می‌گویند که می‌توان آن را در دوربین‌ گوشی‌های هوشمند موجود به سادگی با اصلاح تراشه سیلیکونی و نرم افزار گوشی، تبدیل دستگاه به یک میکروسکوپ با وضوح بالا استفاده کرد.