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(jī)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(jī)等日常設(shè)備中的現(xiàn)有相機(jī)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(xiàng)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)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(bǔ)充，該算法能夠重建全息顯微鏡測量的物體，從而能夠增強(qiáng)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(qiáng)大片上發(fā)射器，這一直是該領(lǐng)域的一個(gè)挑戰(zhàn)，這項(xiàng)研究還為光子學(xué)的重大進(jìn)步鋪平了道路。

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(kuò)展性。為了解決這個(gè)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）平臺中仍然具有挑戰(zhàn)性。

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(shí)際實(shí)況的比較。

雖然硅（Si）已顯示出作為納米級和可單獨(dú)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(diǎn)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(shí)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(qiáng)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(xiàng)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(shí)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(qiáng)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(shí)際應(yīng)用，研究人員隨后將這種LED集成到一個(gè)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